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 claim 1 are provided according to the invention in a photoacoustic sensor arrangement. In particular, it is therefore proposed according to the invention to solve the problem in a photoacoustic sensor arrangement of the type mentioned at the outset that the measured value recorder mentioned at the outset seals off the reference gas chamber, in particular in a gas-tight manner.

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;
In order to achieve the stated object, the features of the independent method claim are also provided according to the invention. In particular, it is therefore proposed according to the invention to solve the task in a method of the type described above that the method comprises the following method steps:
  • - 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 in 5 gezeigten Wafer-Stapel.
It shows:
  • 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 in 5 wafer stack shown.

Die 1 zeigt ein Trägersubstrat 7 in Form eines LTCC-Wafers, in welchem Vias 9 als durchgehende Ausnehmungen ausgebildet sowie Metallisierungen 10 an der Unterseite des Trägersubstrats 7 aufgebracht worden sind. Die Ansicht der 1 zeigt dabei nur einen Ausschnitt des gesamten Trägersubstrats 7 (wie durch die gestrichelten Linien angedeutet).the 1 shows a carrier substrate 7 in the form of an LTCC wafer, in which vias 9 are formed as continuous recesses and metallizations 10 have been applied to the underside of the carrier substrate 7 . The view of 1 1 shows only a section of the entire carrier substrate 7 (as indicated by the dashed lines).

Zur Herstellung einer erfindungsgemäßen photoakustischen Sensoranordnung 2 (Vgl. 6) als Teil eines Gasdetektors 1, wird das Trägersubstrat 7 zunächst mit dem in 1 gezeigten IR-transparenten Substrat 8, welches in Form eines Silizium-Wafers vorliegt, zu einem Wafer-Stapel 13 zusammengefügt und zwar mittels full-wafer-bonding. Anschließend werden akustische Messwertaufnehmer 6, die jeweils in Form einer hybriden Baugruppe vorliegen, auf die an der Unterseite des Trägersubstrats 7 vorgesehenen Metallisierungen 10 in einem SMT-Prozess aufgelötet, wie in 2 zu sehen.To produce a photoacoustic sensor arrangement 2 according to the invention (cf. 6 ) as part of a gas detector 1, the carrier substrate 7 is first connected to the in 1 IR-transparent substrate 8 shown, which is present in the form of a silicon wafer, is assembled into a wafer stack 13 by means of full-wafer bonding. Acoustic measurement sensors 6, each in the form of a hybrid assembly, are then soldered onto the metallization 10 provided on the underside of the carrier substrate 7 in an SMT process, as shown in FIG 2 to see.

Der Messwertaufnehmer 6 weist hierzu passende eigene Metallisierungen 10 auf. Das SMT-Löten geschieht dabei in einer Referenzgas-Atmosphäre, sodass die in 1 zu erkennende durch das Via 9 gebildete Referenzgaskammer 3 nach dem Verlöten mit einem Referenzgas 4 gefüllt ist.The measured value recorder 6 has its own metallizations 10 that match this. The SMT soldering takes place in a reference gas atmosphere, so that the in 1 to be recognized by the via 9 formed reference gas chamber 3 is filled with a reference gas 4 after soldering.

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 2) verschlossen werden.As an alternative to this, gas supply channels can also be formed, for example by microstructuring the upper side of the carrier substrate 7, in order to introduce the reference gas through these gas supply channels into the reference gas chamber 3 only after the SMT soldering. Then the gas supply channels (not shown in 2 ) to be closed.

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 carrier substrate 7 and the measured-value sensor 6 closes off the reference gas chamber 3 in a gas-tight manner. At the top, the wafer bond formed between the IR-transparent substrate 8 and the carrier substrate 7 ensures the necessary encapsulation of the reference gas chamber 3.

Somit werden im Verlaufe des Herstellungsprozesses gasdichte Abdichtungen 12 (Vgl. 2) zwischen dem Trägersubstrat 7 und einer Vielzahl an akustischen Messwertaufnehmern 6 ausgebildet, vorzugsweise mittels jeweiliger Lötverbindungen 11. Denn die in 2 gezeigte Sensoranordnung wiederholt sich lateral in dem Wafer-Stapel 13 mehrmals, sodass die Sensoranordnungen 2 parallel auf dem Trägersubstrat 7 gefertigt werden.Thus, in the course of the manufacturing process, gas-tight seals 12 (cf. 2 ) formed between the carrier substrate 7 and a plurality of acoustic transducers 6, preferably by means of respective soldered connections 11. Because the in 2 The sensor arrangement shown is repeated several times laterally in the wafer stack 13, so that the sensor arrangements 2 are manufactured in parallel on the carrier substrate 7.

In einem abschließenden Vereinzelungsschritt, der mit Bezug auf 6 noch näher erläutert wird, werden die einzelnen parallel hergestellten Sensoranordnungen 2 schließlich aus dem Wafer-Stapel 13 vereinzelt, zum Beispiel mittels Wafer-Sägen.In a final singulation step, with reference to 6 As will be explained in more detail below, the individual sensor arrangements 2 produced in parallel are finally separated from the wafer stack 13, for example by means of wafer saws.

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. 4), über full-wafer-bonding verbunden, wobei dieses Funktionssubstrat 17, wie in 6 zu erkennen ist, IR-Lichtquellen 15 in Form von als Mikromembrane 21 ausgestalteten, elektrisch beheizten hotplates bereitstellt. Jede IR-Lichtquelle 15 dient dabei der Beleuchtung einer jeweiligen der durch das Trägersubstrat 7 definierten Referenzgaskammern 3.In the exemplary manufacturing process shown in the figures, the wafer stack 13 is first attached to a further functional substrate 17, more precisely to a second wafer stack 13 (cf. 4 ), connected via full wafer bonding, with this functional substrate 17, as in 6 as can be seen, provides IR light sources 15 in the form of electrically heated hotplates designed as a micromembrane 21 . Each IR light source 15 serves to illuminate a respective reference gas chamber 3 defined by the carrier substrate 7.

Das Funktionssubstrat 17 des weiteren Wafer-Stapels 13 (Vgl. 4) hingegen bildet jeweilige Messkammern 14 zur Aufnahme einer mit der Sensoranordnung 2 photoakustisch zu vermessenden Gasprobe 16 aus. Hierbei kann durch ein entsprechendes Ausrichten der beiden Wafer-Stapel 13 (2 und 4) beim Bonden zueinander sichergestellt werden, dass die Messkammern 14 und zugehörigen Lichtquellen 15 zu einer jeweiligen Referenzgaskammer 3 ausgerichtet sind, wie dies in 6 gut zu erkennen ist. Im Ergebnis ist somit der gesamte Gasdetektor 1 als ein Stapel 20 realisiert, jedenfalls nach dem Vereinzeln aus dem (dritten) Wafer-Stapel 13, der durch Verbindung des ersten und zweiten Wafer-Stapels 13 gebildet ist (Vgl. 5 mit 2 und 4).The functional substrate 17 of the further wafer stack 13 (cf. 4 ), on the other hand, forms respective measuring chambers 14 for receiving a gas sample 16 to be measured photoacoustically with the sensor arrangement 2 . By appropriately aligning the two wafer stacks 13 ( 2 and 4 ) when bonding to one another, it must be ensured that the measuring chambers 14 and associated light sources 15 are aligned with a respective reference gas chamber 3, as is shown in 6 is easy to see. As a result, the entire gas detector 1 is realized as a stack 20, at least after it has been separated from the (third) wafer stack 13, which is formed by connecting the first and second wafer stack 13 (cf. 5 with 2 and 4 ).

Entscheidend für die kompakte Bauweise der in 2 gezeigten photoakustischen Sensoranordnung 2 ist die Tatsache, dass der Messwertaufnehmer 6 die Referenzgaskammer 3 abschließt, sodass auf ein weiteres Substrat an der Unterseite der Referenzgaskammer 3 verzichtet werden kann. Hierzu sind die lateralen Innenabmessungen der Referenzgaskammer 3 kleiner ausgestaltet als ein Außenumfang des Messwertaufnehmers 6. Mit anderen Worten überragt der Messwertaufnehmer 6 das Via 9 seitlich, sodass genügend Überlappungsfläche zur Ausbildung der umlaufenden Lötverbindung 11 geschaffen ist. Alternativ zu einer Lötverbindung 11 ist es auch möglich, die notwendige Abdichtung der Referenzgaskammer 3 mittels einer umlaufenden gasdichten Verklebung zu realisieren.Decisive for the compact design of the in 2 The photoacoustic sensor arrangement 2 shown is the fact that the measured value recorder 6 closes off the reference gas chamber 3 so that another substrate on the underside of the reference gas chamber 3 can be dispensed with. For this purpose, the lateral inner dimensions of the reference gas chamber 3 are designed to be smaller than an outer circumference of the measured-value sensor 6. In other words, the measured-value sensor 6 protrudes laterally beyond the via 9, so that there is sufficient overlapping area for forming the peripheral soldered joint 11. As an alternative to a soldered connection 11, it is also possible to implement the necessary sealing of the reference gas chamber 3 by means of a circumferential gas-tight adhesive bond.

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. 2).The acoustic measurement sensor 6, which is placed on the first carrier substrate 7 by means of surface-mount technology (SMT), more precisely soldered on the outside, thus forms the reference gas chamber 3, since it forms its bottom (cf. 2 ).

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 6 gezeigten IR-Lichtquelle 15 in dem Referenzgas 4 angeregt werden.The sensor 6 itself is designed as an electronic SMD component. To be more precise, it is a hybrid assembly that, in addition to a MEMS microphone, has an associated ASIC on a separate circuit board and other passive electrical components. The assembly itself is hermetically encapsulated by means of a metallic housing, but has a sound opening 22 on its underside, which opens into the reference gas chamber 3 . This allows the MEMS microphone to detect the acoustic vibrations with high sensitivity, which are generated by the in 6 IR light source 15 shown in the reference gas 4 are excited.

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 2) zu korrespondierenden Metallisierungen 10 auf dem Trägersubstrat 7 elektrisch kontaktiert, unter Verzicht auf Bonddrähte. Diese zusätzlichen Lötverbindungen 28 liegen innerhalb der äußeren umlaufenden Lötverbindung 11 (Vgl. 1 und 2), die zwischen dem Gehäuse des Messwertaufnehmers 6 und dem Trägersubstrat 7 ausgebildet ist und für die gasdichte Abdichtung sorgt.The design of the acoustic measurement value pickup 6 as an SMD component not only has the advantage that the reference gas chamber 3 is hermetically sealed by means of the soldered connection 11 . Rather, the SMT process can also be used to make electrical contact between the acoustic measurement value pickup 6 and the carrier substrate 7 very easily, which offers the metallic contact pads required for this. Elaborate wire bonding for contacting the measured value pickup 6 can thus be completely dispensed with. In other words, the acoustic measurement value pickup 6 is only possible through additional soldered connections 28 (cf. in 2 ) electrically contacted to corresponding metallizations 10 on the carrier substrate 7, with no bonding wires. These additional soldered connections 28 lie within the outer peripheral soldered connection 11 (cf. 1 and 2 ), which is formed between the housing of the sensor 6 and the carrier substrate 7 and ensures the gas-tight seal.

In den 2 und 6 ist ferner gut zu erkennen, dass ein optisches Fenster 5, welches für die von der Lichtquelle 15 erzeugte IR-Strahlung transparent ist, durch full-waferbonding des IR-transparenten Substrats 8 mit dem Trägersubstrat 7 ausgebildet ist. Genauer werden sämtliche optischen Fenster der Sensoranordnungen 2 des Wafer-Stapels 13 (Vgl. 2) gleichzeitig und parallel durch full-waferbonding hergestellt. Das Trägersubstrat 7 ist hingegen für Wellenlängen im Infrarot-Bereich intransparent, sodass das Referenzgas 4 nicht von außen anregbar ist, etwa durch Umgebungslicht.In the 2 and 6 It is also easy to see that an optical window 5, which is transparent to the IR radiation generated by the light source 15, is formed by full-wafer bonding of the IR-transparent substrate 8 to the carrier substrate 7. More precisely, all optical windows of the sensor arrangements 2 of the wafer stack 13 (cf. 2 ) produced simultaneously and in parallel by full-wafer bonding. The carrier substrate 7, on the other hand, is non-transparent for wavelengths in the infrared range, so that the reference gas 4 cannot be excited from the outside, for example by ambient light.

Wie die 6 zeigt, wird die zuvor beschriebene Sensoranordnung 2 final in einem photoakustischen Gasdetektor 1 verwendet. Hierbei ist der Aufbau so gewählt, dass das optische Fenster 5 der Sensoranordnung 2 eine Messkammer 14, die zur Aufnahme einer photoakustisch zu vermessenden Gasprobe 16, vorgesehen ist, begrenzt. Dies wird dadurch erreicht, dass der gesamte Wafer-Stapel 13, genauer der oberste Wafer 8, mittels full-wafer-bonding mit einem Substrat 17 verbunden ist, welches die Messkammer 14 mit ausbildet. Wie in 6 zu erkennen, kann dazu ein weiteres Trägersubstrat 7 vorgesehen sein, welches die Verbindung zwischen dem Substrat 17 und dem Substrat 8 herstellt.As the 6 shows, the sensor arrangement 2 described above is finally used in a photoacoustic gas detector 1 . In this case, the structure is chosen such that the optical window 5 of the sensor arrangement 2 delimits a measuring chamber 14 which is provided for receiving a gas sample 16 to be measured photoacoustically. This is achieved in that the entire wafer stack 13, more precisely the uppermost wafer 8, is connected to a substrate 17, which also forms the measuring chamber 14, by means of full-wafer bonding. As in 6 As can be seen, a further carrier substrate 7 can be provided for this purpose, which establishes the connection between the substrate 17 and the substrate 8 .

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. 6).In summary, in order to simplify the production 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 is designed as a via 9 in a carrier substrate 7 and has an optical window 5 on the top and an acoustic measuring value pickup 6 on the bottom , which can be designed in particular as an assembly, is completed. This approach enables the parallel manufacture of such sensor arrangements 2 on the basis of 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. 6 ).

Mit den zuvor erläuterten Sensoranordnungen 2 lassen sich auch vollständige photoakustische Gasdetektoren 1 (Vgl. 6) herstellen, die eine vollständige Integration einer monolithischen Lichtquelle 15, einer Messkammer 14, einer Referenzgaskammer 3 und eines akustischen Messwertaufnehmers 6 in einem Wafer-Stapel 20 realisieren.Complete photoacoustic gas detectors 1 (cf. 6 ) produce, which realize a complete integration of a monolithic light source 15, a measurement chamber 14, a reference gas chamber 3 and an acoustic transducer 6 in a wafer stack 20.

Wie anhand der schematisch dargestellten Gasmoleküle 16 in 6 erkennbar ist, weist ein solcher Gasdetektor 1 eine nach außen offene Messkammer 14 auf, wobei eine zu vermessende Gasprobe 16, gelenkt über eine Gaszuleitung 25, in die Messkammer 14 strömt. Wie die geschwungenen Pfeile andeuten, kann die Gasprobe 16 mit einer Lichtquelle 15 des Gasdetektors 1 durchstrahlt werden. Genauer passiert die von der Lichtquelle 15 in Richtung der Gasprobe 16 ausgestrahlte Strahlung zunächst die Messkammer 14 und danach ein optisches Fenster 5 und gelangt so in eine mit einem Referenzgas 4 gefüllte Referenzgaskammer 3 des Gasdetektors 1. Da die Strahlung zeitlich moduliert wird, wird das Referenzgas 4 zu akustischen Schwingungen angeregt, die mittels eines akustischen Messwertaufnehmers 6 des Gasdetektors 1 erfasst werden können.As can be seen from the schematically illustrated gas molecules 16 in 6 As can be seen, such a gas detector 1 has a measuring chamber 14 which is open to the outside, with a gas sample 16 to be measured flowing into the measuring chamber 14 via a gas supply line 25 . As indicated by the curved arrows, the gas sample 16 can be irradiated with a light source 15 of the gas detector 1 . To be more precise, the radiation emitted by the light source 15 in the direction of the gas sample 16 first passes through the measuring chamber 14 and then through an optical window 5 and thus reaches a reference gas chamber 3 of the gas detector 1 filled with a reference gas 4. Since the radiation is modulated in time, the reference gas 4 excited to acoustic vibrations, which can be detected by means of an acoustic transducer 6 of the gas detector 1.

Der in 6 gezeigte Gasdetektor 1 zeichnet sich nun gerade dadurch aus, dass die Lichtquelle 15 in einem Funktionssubstrat 17 ausgebildet ist und dass dieses Funktionssubstrat 17 mittels full-wafer-bonding mit einem IR-transparenten Substrat 8 verbunden ist, welches das optische Fenster 5 der Referenzgaskammer 3 ausbildet. Mit anderen Worten sind in dem Gasdetektor 1 somit die Lichtquelle 15, die Messkammer 14, das optische Fenster 5, die Referenzgaskammer 3 und der akustische Messwertaufnehmer 6 stapelförmig angeordnet. Hierbei sind das Funktionssubstrat 17, das IR-transparente Substrat 8 und ein die Referenzgaskammer 3 ausbildendes Trägersubstrat 7 zu einem kompakten Stapel 20 verbunden. Die Verbindungen zwischen den Substraten 8 und 7, zwischen 7 und 17, sowie zwischen 8 und dem darüber befindlichen weiteren Trägersubstrat 7 sind dabei jeweils über Waferbonding hergestellt worden (Somit wurde der gesamte in 6 gezeigte Wafer-Stapel 13 mittels insgesamt drei Waferbonds hergestellt).the inside 6 The gas detector 1 shown is distinguished precisely by the fact that the light source 15 is formed in a functional substrate 17 and that this functional substrate 17 is connected to an IR-transparent substrate 8 by means of full-wafer bonding, which forms the optical window 5 of the reference gas chamber 3 . In other words, in the gas detector 1 the light source 15, the measurement chamber 14, the optical window 5, the reference gas chamber 3 and the acoustic measurement value recorder 6 are arranged in a stack. In this case, the functional substrate 17, the IR-transparent substrate 8 and a carrier substrate 7 forming the reference gas chamber 3 are connected to form a compact stack 20. The connections between the substrates 8 and 7, between 7 and 17, and between 8 and the further carrier substrate 7 located above them were each made via wafer bonding (thus the entire in 6 shown wafer stack 13 produced by means of a total of three wafer bonds).

In 6 ist ferner zu erkennen, dass die Lichtquelle 15 monolithisch in dem Funktionssubstrat 17 ausgebildet ist. Denn das Funktionssubstrat 17, ein Silizium-Wafer, weist eine aufgewachsene Siliziumnitridschicht als Funktionsschicht 18 auf. Diese Funktionsschicht 18 ist somit monolithisch hergestellt und formt die Lichtquelle 15, die als IR-Strahler realisiert ist.In 6 it can also be seen that the light source 15 is formed monolithically in the functional substrate 17 . This is because the functional substrate 17 , a silicon wafer, has a grown silicon nitride layer as the functional layer 18 . This functional layer 18 is thus produced monolithically and forms the light source 15, which is implemented as an IR emitter.

Wie in 5 angedeutet ist, ist die Lichtquelle 15 als eine Mikromembran 21 aus Siliziumnitrid ausgestaltet und freitragend an dem Funktionssubstrat 17 aufgehängt. Auf der Oberseite der Siliziumnitridschicht 18 ist im Bereich der Mikromembran 21 eine elektrische leitfähige Platin-Dünnschicht in Form eines Mäanders aufgebracht (Vgl. 3). Mittels dieses Mäanders lässt sich die Mikromembran 21 elektrisch beheizen und so als modulierbare hotplate nutzen, mit der eine hochfrequent modulierbare IR-Strahlung erzeugbar ist. Der Vorteil der Nutzung einer Mikromembran 21 besteht dabei in deren geringer Wärmekapazität, was eine schnelle Modulation erlaubt.As in 5 is indicated, the light source 15 is designed as a micromembrane 21 made of silicon nitride and is suspended on the functional substrate 17 in a self-supporting manner. On the upper side of the silicon nitride layer 18 in the area of the micromembrane 21, an electrically conductive platinum thin layer is applied in the form of a meander (cf. 3 ). By means of this meander, the micromembrane 21 can be heated electrically and thus used as a modulable hotplate with which IR radiation that can be modulated at high frequency can be generated. The advantage of using a micromembrane 21 is its low thermal capacity, which allows rapid modulation.

Wie die 3 offenbart, weist das Funktionssubstrat 17 eine Kavität 27 auf, die die Messkammer 14 mit ausbildet. Diese Kavität 27 ist zusammen mit anderen Kavitäten 27 in dem Funktionssubstrat 17 mittels eines Batch-Ätz-Prozesses monolithisch in das Siliziumsubstrat 17 eingebracht worden. Dabei diente die Siliziumnitridschicht 18 gerade als Ätzstoppebene.As the 3 disclosed, the functional substrate 17 has a cavity 27 which also forms the measurement chamber 14 . This cavity 27 has been introduced monolithically into the silicon substrate 17 together with other cavities 27 in the functional substrate 17 by means of a batch etching process. In this case, the silicon nitride layer 18 was used precisely as an etch stop level.

Ein Vergleich der 3 und 6 zeigt zudem, dass ein weiteres Trägersubstrat 7 zur Ausbildung der Messkammer 14 vorgesehen ist. Dieses weitere Trägersubstrat 7 ist zwischen dem Funktionssubstrat 17 und dem IR-transparenten Substrat 8, das beispielsweise durch einen Silizium-Wafer gebildet sein kann, angeordnet (Vgl. 5) und bildet mit Hilfe eines Vias 9 die Messkammer 14 mit aus. Durch Verwendung des weiteren Trägersubstrats 7 erhöht sich somit der Absorptionspfad der IR-Strahlung der Lichtquelle 15 beim Passieren durch die Messkammer 14 gerade um die Dicke dieses Trägersubstrats 7, wodurch ein stärkeres Messsignal erzeugbar ist.A comparison of 3 and 6 also shows that a further carrier substrate 7 is provided to form the measuring chamber 14 . This further carrier substrate 7 is arranged between the functional substrate 17 and the IR-transparent substrate 8, which can be formed by a silicon wafer, for example (cf. 5 ) and forms the measuring chamber 14 with the help of a via 9 . By using the additional carrier substrate 7, the absorption path of the IR radiation from the light source 15 when passing through the measuring chamber 14 is increased by the thickness of this carrier substrate 7, as a result of which a stronger measurement signal can be generated.

Wie anhand der 6 und der 4 zu erkennen ist, sind das Funktionssubstrat 17, das IR-transparente Substrat 8, und das die Referenzgaskammer 3 ausbildende Trägersubstrat 7 zu einem Stapel 20 verbunden. Der in 6 gezeigte Gasdetektor 1 wurde dabei in einem batch-Prozess durch Vereinzelung mittels Wafersägen aus dem in 5 noch vollständig gezeigten Wafer-Stapel 13 hergestellt.How based on 6 and the 4 As can be seen, the functional substrate 17, the IR-transparent substrate 8 and the carrier substrate 7 forming the reference gas chamber 3 are connected to form a stack 20. the inside 6 The gas detector 1 shown was produced in a batch process by separating it using wafer saws from the in 5 still completely shown wafer stack 13 produced.

Aufgrund dieser Fertigung ergibt sich der in 6 gezeigte vertikale Stapelaufbau. Dieser Aufbau zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass die Lichtquelle 15, die Messkammer 14, das optische Fenster 5, die Referenzgaskammer 3 und der akustische Messwertaufnehmer 6 entlang einer (gedachten) Linie angeordnet sind, die quer zu der Ebene des Funktionssubstrats 17 verläuft und in 6 gerade der Richtung der IR-Strahlung 26 entspricht.This production results in the in 6 shown vertical stacking. This structure is characterized, among other things, by the fact that the light source 15, the measuring chamber 14, the optical window 5, the reference gas chamber 3 and the acoustic measuring value sensor 6 are arranged along an (imaginary) line which runs transversely to the plane of the functional substrate 17 and in 6 just the direction of the IR radiation 26 corresponds.

Anhand der 2 und 6 ist auch gut zu erkennen, dass der akustische Messwertaufnehmer 6 die Referenzgaskammer 3 abschließt. Hierzu ist der Messwertaufnehmer 6 mittels eines SMT-Prozesses auf das Trägersubstrat 7 aufgelötet worden (Vgl. 1 und 2), wobei eine umlaufende Lötverbindung 11 für ein gasdichtes Abschließen der unteren Öffnung der Referenzgaskammer 3 sorgt.Based on 2 and 6 it is also easy to see that the acoustic measurement value recorder 6 closes off the reference gas chamber 3 . For this purpose, the sensor 6 has been soldered onto the carrier substrate 7 using an SMT process (cf. 1 and 2 ), with a circumferential soldered joint 11 ensuring gas-tight sealing of the lower opening of the reference gas chamber 3.

Nach oben ist die Referenzgaskammer 3 durch das Substrat 8 abgeschlossen, welches seinerseits gasdicht mit dem Trägersubstrat 7 gebondet ist (Vgl. 2). Mittels des SMT-Prozesses sind zudem weitere elektrische Kontaktierungen (Vgl. die zusätzliche Lötverbindung 28 in 2) zwischen dem Trägersubstrat 7 und dem Messwertaufnehmer 6 ausgebildet, sodass der Messwertaufnehmer 6 über das LTCC-Trägersubstrat 7 elektrisch ansteuerbar und auslesbar ist.The reference gas chamber 3 is closed at the top by the substrate 8, which in turn is bonded to the carrier substrate 7 in a gas-tight manner (cf. 2 ). The SMT process can also be used to create additional electrical contacts (cf. the additional soldered connection 28 in 2 ) formed between the carrier substrate 7 and the sensor 6, so that the sensor 6 can be electrically controlled and read out via the LTCC carrier substrate 7.

In den 1, 2 und 6 ist ferner zu erkennen, dass der akustische Messwertaufnehmer 6, der als eine komplexe hybride Baugruppe ausgestaltet ist und in den Zeichnungen nur schematisch gezeichnet ist, eine Schallöffnung 22 an seiner Unterseite aufweist, die in die Referenzgaskammer 3 mündet.In the 1 , 2 and 6 It can also be seen that the acoustic measurement value pickup 6 , which is designed as a complex hybrid assembly and is shown only schematically in the drawings, has a sound opening 22 on its underside, which opens into the reference gas chamber 3 .

Anhand der Figuren lässt sich auch eine erfindungsgemäße Batch-Herstellung von photoakustischen Gasdetektoren 1 wie dem der 6, der eine monolithische Lichtquelle 15, eine Messkammer 14, eine Referenzgaskammer 3 und einen akustischen Messwertaufnehmer 6 in einem kompakten Stapel 20 vereint, anschaulich und beispielhaft nachvollziehen. Die 1 bis 5 zeigen dabei jeweils nur einen Ausschnitt des jeweiligen Substrats beziehungsweise des jeweiligen Wafer-Stapels 13, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet ist.Based on the figures can also be an inventive batch production of photo acoustic gas detectors 1 like that of 6 , which combines a monolithic light source 15, a measuring chamber 14, a reference gas chamber 3 and an acoustic measuring value pickup 6 in a compact stack 20, clearly and by way of example. the 1 until 5 show only a section of the respective substrate or the respective wafer stack 13, as indicated by the dashed lines.

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 gas detectors 1 of a respective batch share the four substrates 17, 7 (two carrier substrates) and 8 shown, but can be equipped with different measurement value sensors 6, or, for example, the respective reference gas chambers 3 can also be filled with different reference gases 4. For efficient production, however, it is preferable if all reference gas chambers 3 of a wafer stack 13 are filled with the same reference gas 4 at the same time.

Ausgehend von dem in 3 gezeigten als Siliziumwafer vorliegenden Funktionssubstrat 17 wird zunächst eine Funktionsschicht 18 aus Siliziumnitrid auf dem Wafer 17 aufgewachsen. Anschließend wird das Funktionssubstrat 17 rückseitig nasschemisch geätzt, um eine Vielzahl al Kavitäten 27 auszubilden, die später die Messkammern 14 der jeweiligen Gasdetektoren 1 ausbilden.Starting from the in 3 The functional substrate 17 shown as a silicon wafer, which is shown, is firstly grown on the wafer 17 with a functional layer 18 made of silicon nitride. The functional substrate 17 is then wet-chemically etched on the back in order to form a large number of cavities 27 which later form the measuring chambers 14 of the respective gas detectors 1 .

Als nächstes wird eine Vielzahl an Lichtquellen 15 in dem Funktionssubstrat 17 ausgebildet. Dies geschieht zunächst durch Aufbringen und photolithographisches Strukturieren der in 3 angedeuteten elektrisch leitfähigen Platin-Dünnschicht 19 auf der Oberseite der Funktionsschicht 18. Die Schicht 19 wird dabei jeweils als Mäander im Bereich der durch das nasschemische Ätzen entstandenen Mikromembrane 21 strukturiert, mit denen die Mikromembrane 21 elektrisch beheizbar sind. Zudem können durch die Schicht 19 Temperatursensoren in direkter Nachbarschaft zu oder auf der Mikromembran 21 realisiert werden.Next, a multiplicity of light sources 15 are formed in the functional substrate 17 . This is done first by applying and photolithographically structuring the in 3 indicated electrically conductive platinum thin layer 19 on top of the functional layer 18. The layer 19 is structured as a meander in the area of the micromembranes 21 created by the wet-chemical etching, with which the micromembranes 21 can be electrically heated. In addition, the layer 19 allows temperature sensors to be implemented in the direct vicinity of or on the micromembrane 21 .

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 3 angedeutet - auch Durchlassöffnungen ausgebildet werden können, durch die die zu vermessende Gasprobe 16 in die Messkammer 14 von außen einströmen und auch wieder herausströmen kann.Another photolithography then takes place on the upper side of the functional substrate 17, followed by a dry etching step from the front side. The self-supporting suspensions of the micromembranes 21 are defined by the dry etching step, where—as in 3 indicated - passage openings can also be formed through which the gas sample to be measured 16 can flow into the measuring chamber 14 from the outside and can also flow out again.

Um die Absorptionslänge der Messkammer 14 zu erhöhen, wird das so fertig gestellte Funktionssubstrat 17 mit dem weiteren Trägersubstrat 7 zu dem in 4 gezeigten Wafer-Stapel 13 gebondet. Hierbei werden die Substrate 17 und 7 so zueinander ausgerichtet, dass die jeweiligen in dem Trägersubstrat 7 ausgebildeten Vias 9 zu den Kavitäten 27 des Funktionssubstrats 17 ausgerichtet sind, um so die Messkammern 14 zu definieren.In order to increase the absorption length of the measuring chamber 14, the functional substrate 17 finished in this way is combined with the further carrier substrate 7 to form the 4 shown wafer stack 13 bonded. In this case, the substrates 17 and 7 are aligned with one another in such a way that the respective vias 9 formed in the carrier substrate 7 are aligned with the cavities 27 of the functional substrate 17 in order in this way to define the measurement chambers 14 .

Als nächstes wird separat der in 2 gezeigte Wafer-Stapel 13 hergestellt, der eine Vielzahl von photoakustischen Sensoranordnungen 2 realisiert, die jeweils eine Referenzgaskammer 3 aufweisen. Dazu wird zunächst das Trägersubstrat 7, welches eine Vielzahl an Vias 9 zur Ausbildung der Referenzgaskammern 3 aufweist, mit dem IR-transparenten Substrat 8 in einem Full-wafer-bond-Prozess gebondet. Das IR-transparente Substrat 8 bildet anschließend somit jeweils die optischen Fenster 5 der jeweiligen Referenzgaskammern 3 aus und schließt diese nach oben hin ab (Vgl. 5).Next, the in 2 shown wafer stack 13 is produced, which realizes a plurality of photoacoustic sensor arrays 2, each having a reference gas chamber 3. For this purpose, the carrier substrate 7, which has a large number of vias 9 for forming the reference gas chambers 3, is first bonded to the IR-transparent substrate 8 in a full-wafer bonding process. The IR-transparent substrate 8 then forms the optical windows 5 of the respective reference gas chambers 3 and closes them off at the top (cf. 5 ).

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 2 gezeigten Wafer-Stapels 13 mit dem in 4 gezeigten Wafer-Stapel 13 erfolgen.The reference gas chambers 3 can then already be filled with the reference gas 4 and sealed off in a gas-tight manner by soldering on a respective measuring value recorder 6 (to metal coatings 10 applied for this purpose on the underside of the carrier substrate 7). However, this step can preferably only be carried out after the bonding of the in 2 shown wafer stack 13 with the in 4 shown wafer stack 13 take place.

Durch den dritten Full-wafer-bond wird somit das IR-transparente Substrat 8 auf die Unterseite des in 4 gezeigten Trägersubstrats 7 gebondet, wodurch der in 5 gezeigte Wafer-Stapel 13 entsteht. Wird das Trägersubstrat 7 in 4 weggelassen (etwa bei ausreichender Dicke des Funktionssubstrats 17), kann das Substrat 8 auch direkt auf das Funktionssubstrat 17, genauer auf dessen Unterseite, gebondet sein. In beiden Fällen werden jedoch vor dem Bonden die jeweiligen Referenzgaskammern 3 zu einer jeweiligen Messkammer 14 ausgerichtet, wie in 5 illustriert, um die gewünschte kompakte Stapelanordnung zu erzielen.The third full wafer bond thus attaches the IR-transparent substrate 8 to the underside of the in 4 shown carrier substrate 7 bonded, whereby the in 5 shown wafer stack 13 arises. If the carrier substrate is 7 in 4 omitted (for example if the functional substrate 17 is sufficiently thick), the substrate 8 can also be bonded directly to the functional substrate 17, more precisely to its underside. In both cases, however, the respective reference gas chambers 3 are aligned with a respective measurement chamber 14 before bonding, as in FIG 5 illustrated to achieve the desired compact stack arrangement.

Schließlich wird der in 5 gezeigte Wafer-Stapel 13 in die einzelnen Gasdetektoren 1 vereinzelt, was mit typischen Prozessen wie Wafersägen oder Laserschneiden erfolgen kann, wobei die delikaten Mikromembrane 21 als auch die Referenzgaskammern 3 beim Vereinzeln durch Photolack oder UV-Klebefolien geschützt werden können.Eventually the in 5 The wafer stack 13 shown is separated into the individual gas detectors 1, which can be done using typical processes such as wafer sawing or laser cutting, with the delicate micromembranes 21 and the reference gas chambers 3 being able to be protected during separation by photoresist or UV adhesive films.

Wie bereits erwähnt wurde kann, bevorzugt noch vor dem Vereinzeln des in 5 gezeigten Wafer-Stapels 13, jeweils ein akustischer Messwertaufnehmer 6 mittels eines SMT-Prozesses mit dem Trägersubstrat 7 elektrisch und mechanisch verbunden werden, wie in 1 und 2 illustriert. Denn dadurch kann die jeweilige Referenzgaskammer 3 mit dem jeweiligen Messwertaufnehmer 6 gasdicht abgeschlossen werden.As already mentioned, preferably before separating the in 5 wafer stack 13 shown, one acoustic measurement value pickup 6 can be electrically and mechanically connected to the carrier substrate 7 by means of an SMT process, as in 1 and 2 illustrated. This is because the respective reference gas chamber 3 with the respective measured value recorder 6 can be sealed off in a gas-tight manner.

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. 6) separiert das transparente Substrat 8 eine Messkammer 14 zum Aufnehmen einer mit der Strahlung zu durchleuchtenden Gasprobe 16 von einer Referenzgaskammer 3, die mit einem Referenzgas 4 befüllt ist. Ferner ist ein Messwertaufnehmer 6 als Teil der Stapelanordnung vorgesehen, mit dem akustische Schwingungen des Referenzgases 4, die mit der Strahlung der Lichtquelle 15 erzeugbar sind, ausgelesen werden können (6) und der bevorzugt mittels SMT-Verbindungen zum Trägersubstrat 7 angesteuert und ausgelesen werden kann. Der Wafer-Stapel 13 weist dabei eine photoakustische Sensoranordnung 2 auf, die ihrerseits als Stapel zweier Substrate 7 und 8 ausgebildet ist.Thus, in addition to the cost-effective and reproducible production of miniaturized photoacoustic gas detectors 1, it is proposed to use a wafer stack 13 consisting of a functional substrate 17, which forms a light source 15 for emitting radiation, a substrate 8 that is transparent to the radiation of light source 15, and at least one carrier substrate 7 respective wafer bonding to form. In the wafer stack 13 produced in this way (cf. 6 ) the transparent substrate 8 separates a measurement chamber 14 for receiving a gas sample 16 to be transilluminated with the radiation from a reference gas chamber 3 which is filled with a reference gas 4 . Furthermore, a measured value sensor 6 is provided as part of the stack arrangement, with which acoustic oscillations of the reference gas 4, which can be generated with the radiation of the light source 15, can be read out ( 6 ) and which can be controlled and read out preferably by means of SMT connections to the carrier substrate 7 . In this case, the wafer stack 13 has a photoacoustic sensor arrangement 2 which, for its part, is designed as a stack of two substrates 7 and 8 .

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)

Photoakustische Sensoranordnung (2) mit einer nach außen abgeschlossenen Referenzgaskammer (3), die an wenigstens einer Stelle ein optisches Fenster (5) aufweist, und mit einem akustischen Messwertaufnehmer (6) zum Detektieren von akustischen Schwingungen eines Referenzgases (4) in der Referenzgaskammer (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Messwertaufnehmer (6) die Referenzgaskammer (3) abschließt.Photoacoustic sensor arrangement (2) with a reference gas chamber (3) which is closed off from the outside and has an optical window (5) at at least one point, and with an acoustic measurement sensor (6) for detecting acoustic oscillations of a reference gas (4) in the reference gas chamber ( 3), characterized in that the measured value recorder (6) closes off the reference gas chamber (3). Photoakustische Sensoranordnung (2) nach Anspruch 1, wobei der akustische Messwertaufnehmer (6) mittels surface-mount-Technologie (SMT) auf ein Trägersubstrat (7) aufgesetzt ist, welches die Referenzgaskammer (3) mit ausbildet, vorzugsweise wobei der akustische Messwertaufnehmer (6) als elektronisches SMD-Bauteil ausgestaltet ist.Photoacoustic sensor arrangement (2) after claim 1 , wherein the acoustic measurement value recorder (6) is placed on a carrier substrate (7) by means of surface-mount technology (SMT), which forms the reference gas chamber (3), preferably wherein the acoustic measurement value recorder (6) is designed as an electronic SMD component . Photoakustische Sensoranordnung (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der akustische Messwertaufnehmer (6) die Referenzgaskammer (3) gasdicht, vorzugsweise hermetisch, abdichtet, insbesondere wobei die Abdichtung mittels einer umlaufenden Lötverbindung (11) und/oder mittels einer gasdichten Verklebung realisiert ist.Photoacoustic sensor arrangement (2) after claim 1 or 2 , wherein the acoustic measurement sensor (6) seals the reference gas chamber (3) gas-tight, preferably hermetically, in particular the sealing being realized by means of a circumferential soldered connection (11) and/or by means of a gas-tight adhesive bond. Photoakustische Sensoranordnung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Fenster (5) durch full-wafer-bonding eines IR-transparenten Substrats (8), vorzugsweise eines Siliziumwafers, mit dem Trägersubstrat (7) ausgebildet ist, insbesondere wobei das Trägersubstrat (7) ein IR-intransparentes Substrat, vorzugsweise ein LTCC-Substrat, ist, vorzugsweise wobei der Messwertaufnehmer (6) außenseitig auf das Trägersubstrat (7) aufgelötet ist.Photoacoustic sensor arrangement (2) according to one of the preceding claims, wherein the optical window (5) is formed by full-wafer bonding of an IR-transparent substrate (8), preferably a silicon wafer, to the carrier substrate (7), in particular wherein the carrier substrate (7) is an IR-opaque substrate, preferably an LTCC substrate, preferably with the sensor (6) being soldered to the outside of the carrier substrate (7). Photoakustische Sensoranordnung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der akustische Messwertaufnehmer (6), insbesondere ausschließlich, durch Lötverbindungen (11) zu Metallisierungen (10) auf dem Trägersubstrat (7) elektrisch kontaktiert ist, vorzugsweise unter Verzicht auf Bonddrähte.Photoacoustic sensor arrangement (2) according to one of the preceding claims, wherein the acoustic measurement value pickup (6) is electrically contacted, in particular exclusively, by soldered connections (11) to metallizations (10) on the carrier substrate (7), preferably without bonding wires. Photoakustische Sensoranordnung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Fenster (5) für Wellenlängen im Infrarot-Bereich (0.78 µm - 1 mm), insbesondere im MIR-Bereich (2 µm - 25 pm), transparent ist.Photoacoustic sensor arrangement (2) according to one of the preceding claims, wherein the optical window (5) is transparent for wavelengths in the infrared range (0.78 µm - 1 mm), in particular in the MIR range (2 µm - 25 pm). Photoakustische Sensoranordnung (2) nach Anspruch 6, wobei das Trägersubstrat (7) für Wellenlängen im Infrarot-Bereich, insbesondere im MIR-Bereich, intransparent ist.Photoacoustic sensor arrangement (2) after claim 6 , wherein the carrier substrate (7) for wavelengths in the infrared range, in particular in the MIR range, is opaque. Photoakustische Sensoranordnung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der akustische Messwertaufnehmer (6) ein MEMS-Mikrofon aufweist und/oder als hybride Baugruppe ausgestaltet ist, vorzugsweise wobei eine Schallöffnung (22) des akustischen Messwertaufnehmers (6) in die Referenzgaskammer (3) mündet.Photoacoustic sensor arrangement (2) according to one of the preceding claims, in which the acoustic measurement value pickup (6) has a MEMS microphone and/or is designed as a hybrid assembly, preferably in which a sound opening (22) of the acoustic measurement value pickup (6) extends into the reference gas chamber (3 ) ends. Verwendung einer photoakustischen Sensoranordnung (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche in einem photoakustischen Gasdetektor (1), dadurch gekennzeichnet, dass das optische Fenster (5) der Sensoranordnung (2) eine Messkammer (14) zur Aufnahme einer photoakustisch zu vermessenden Gasprobe (16) begrenzt, vorzugsweise wobei hierzu die Sensoranordnung (2), insbesondere das optische Fenster (5), mittels full-waferbonding mit einem Substrat (17, 7) verbunden ist, welches die Messkammer (14) mit ausbildet.Use of a photoacoustic sensor arrangement (2) according to one of the preceding claims in a photoacoustic gas detector (1), characterized in that the optical window (5) of the sensor arrangement (2) has a measuring chamber (14) for receiving a gas sample (16) to be measured photoacoustically. limited, preferably wherein for this purpose the sensor arrangement (2), in particular the optical window (5), is connected by means of full-wafer bonding to a substrate (17, 7), which also forms the measuring chamber (14). Verfahren zur parallelen Fertigung von photoakustischen Sensoranordnungen (2), die jeweils eine Referenzgaskammer (3) und einen akustischen Messwertaufnehmer (6) aufweisen und insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet sein können, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: - Ausbildung von Vias (9) in einem Trägersubstrat (7); - Ausbildung von Metallisierungen (10) auf dem Trägersubstrat (7); - Full-Wafer-Bonden des Trägersubstrats (7) mit einem IR-transparenten Substrat (8) zu einem Wafer-Stapel (13); - SMT-Löten von akustischen Messwertaufnehmern (6) auf die Metallisierungen (10), insbesondere zum gasdichten Abschließen von jeweiligen Referenzgaskammern (3); - Vereinzeln der Sensoranordnungen (2) aus dem Wafer-Stapel (13) ;Method for the parallel production of photoacoustic sensor arrangements (2), each having a reference gas chamber (3) and an acoustic measuring value sensor (6) and in particular according to one of Claims 1 until 8th can be formed, characterized by the following method steps: - formation of vias (9) in a carrier substrate (7); - formation of metallizations (10) on the carrier substrate (7); - Full-wafer bonding of the carrier substrate (7) with an IR-transparent substrate (8) to form a wafer stack (13); - SMT soldering of acoustic measurement sensors (6) on the metallization (10), in particular for gas-tight sealing of respective reference gas chambers (3); - Separating the sensor arrays (2) from the wafer stack (13); Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei gasdichte Abdichtungen (12) jeweils zwischen dem Trägersubstrat (7) und den akustischen Messwertaufnehmern (6) ausgebildet werden, vorzugsweise mittels Lötverbindungen (11) und/oder mittels gasdichter Verklebungen.procedure according to claim 10 , wherein gas-tight seals (12) are each formed between the carrier substrate (7) and the acoustic measurement sensors (6), preferably by means of soldered connections (11) and/or by means of gas-tight adhesive bonds. Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei in dem Trägersubstrat (7), welches mit dem IR-transparenten Substrat (8) verbunden ist, vorzugsweise mikrostrukturierte, Gaszuführkanäle zum jeweiligen Einführen eines Referenzgases (4) in eine jeweilige der Referenzgaskammern (3) ausgebildet werden.procedure according to claim 10 or 11 , wherein in the carrier substrate (7), which is connected to the IR-transparent substrate (8), preferably microstructured, gas supply channels are formed for each introduction of a reference gas (4) in each of the reference gas chambers (3). Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der Wafer-Stapel (13) mit einem weiteren Funktionssubstrat (17) über full-wafer-bonding verbunden wird, - insbesondere wobei das Funktionssubstrat (17) eine Funktionsschicht trägt, welche optische IR-Lichtquellen (15), vorzugsweise in Form von elektrisch beheizten Mikromembranen (21), bereitstellt, die der Beleuchtung einer jeweiligen der Referenzgaskammern (3) dienen, - besonders bevorzugt wobei das Funktionssubstrat (17) eine Messkammer (14) zur Aufnahme einer mit der Sensoranordnung (2) photoakustisch zu vermessenden Gasprobe (16) mit ausbildet.Method according to one of Claims 10 until 12 , wherein the wafer stack (13) is connected to a further functional substrate (17) via full-wafer bonding, - in particular wherein the functional substrate (17) carries a functional layer which optical IR light sources (15), preferably in the form of electrically heated micromembranes (21), which are used to illuminate one of the reference gas chambers (3), - particularly preferably the functional substrate (17) has a measuring chamber (14) for receiving a gas sample (16 ) trains with.
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