DE102022107320A1

DE102022107320A1 - Gassensorvorrichtungen, Verfahren zu deren Herstellung und Verfahren zum Erzeugen von Absorptionsspektren von Gasen

Info

Publication number: DE102022107320A1
Application number: DE102022107320.3A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Rieder; Rainer Markus Schaller; Maciej Wojnowski
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2022-03-29
Filing date: 2022-03-29
Publication date: 2023-10-05
Also published as: US20230314345A1

Abstract

Eine Gassensorvorrichtung enthält einen durch ein elektrisch leitendes Material begrenzten Hohlraum mit gasdurchlässigen Öffnungen und reflektierenden Oberflächen sowie eine Hochfrequenz-Komponente, aufweisend einen Hochfrequenz-Chip und mindestens eine Hochfrequenz-Antenne, welche dazu ausgelegt ist, Hochfrequenz-Signale in den Hohlraum abzustrahlen und Hochfrequenz-Signale aus dem Hohlraum zu empfangen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft Gassensorvorrichtungen und Verfahren zur Herstellung solcher Gassensorvorrichtungen. Ferner betrifft die vorliegende Offenbarung Verfahren zum Erzeugen von Absorptionsspektren von Gasen.
Hintergrund
Gassensoren können in einer Vielzahl technischer Anwendungen eingesetzt werden. In einem Beispiel können mithilfe eines Gassensors schädliche oder gefährliche Komponenten der Umgebungsluft nachgewiesen werden. In einem weiteren Beispiel kann durch einen Gassensor eine Atemgasanalyse durchgeführt werden und dadurch auf Erkrankungen der Lunge oder anderer Organe geschlossen werden. Viele der für die genannten Zwecke verwendeten Gassensoren können aufwendig gestaltet sein und/oder unhandliche Abmessungen aufweisen. Hersteller und Entwickler von Gassensorvorrichtungen sind ständig bestrebt, ihre Produkte zu verbessern. In diesem Zusammenhang kann es wünschenswert sein, kostengünstige Gassensoren mit kompakten Abmessungen bereitzustellen. Ferner kann es wünschenswert sein, Verfahren zur Herstellung und zur Verwendung solcher Gassensoren zu verbessern.
Kurzdarstellung
Verschiedene Aspekte betreffen eine Gassensorvorrichtung. Die Gassensorvorrichtung umfasst einen durch ein elektrisch leitendes Material begrenzten Hohlraum mit gasdurchlässigen Öffnungen und reflektierenden Oberflächen. Die Gassensorvorrichtung umfasst ferner eine Hochfrequenz-Komponente, umfassend einen Hochfrequenz-Chip und mindestens eine Hochfrequenz-Antenne, welche dazu ausgelegt ist, Hochfrequenz-Signale in den Hohlraum abzustrahlen und Hochfrequenz-Signale aus dem Hohlraum zu empfangen.
Verschiedene Aspekte betreffen ein Verfahren zum Erzeugen eines Absorptionsspektrums eines Gases. Das Verfahren umfasst ein Ermöglichen eines Eindringens eines Gases in einen durch ein elektrisch leitendes Material begrenzten Hohlraum mit reflektierenden Oberflächen über gasdurchlässige Öffnungen des Hohlraums. Das Verfahren umfasst ferner ein Abstrahlen von Hochfrequenz-Signalen in den Hohlraum, wobei die Hochfrequenz-Signale in einem Frequenzbereich liegen, welcher mindestens eine Absorptionsfrequenz des Gases umfasst. Das Verfahren umfasst ferner ein Empfangen von Hochfrequenz-Signalen aus dem Hohlraum, wobei die empfangenen Hochfrequenz-Signale das Gas in dem Hohlraum durchlaufen haben. Das Verfahren umfasst ferner ein Erzeugen des Absorptionsspektrums des Gases basierend auf den empfangenen Hochfrequenz-Signalen.
Verschiedene Aspekte betreffen ein Verfahren zum Herstellen einer Gassensorvorrichtung. Das Verfahren umfasst ein Erzeugen eines durch ein elektrisch leitendes Material begrenzten Hohlraums mit gasdurchlässigen Öffnungen und reflektierenden Oberflächen. Das Verfahren umfasst ferner ein Erzeugen einer Hochfrequenz-Komponente, umfassend einen Hochfrequenz-Chip und mindestens eine Hochfrequenz-Antenne, welche dazu ausgelegt ist, Hochfrequenz-Signale in den Hohlraum abzustrahlen und Hochfrequenz-Signale aus dem Hohlraum zu empfangen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Vorrichtungen und Verfahren gemäß der Offenbarung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu relativ zueinander wiedergegeben. Identische Bezugszeichen können identische Komponenten bezeichnen.

1 zeigt schematisch eine Querschnittseitenansicht einer Gassensorvorrichtung 100 gemäß der Offenbarung.
2 zeigt schematisch eine Querschnittseitenansicht einer Gassensorvorrichtung 200 gemäß der Offenbarung.
3 zeigt schematisch eine Querschnittseitenansicht einer Gassensorvorrichtung 300 gemäß der Offenbarung.
4 zeigt schematisch eine Querschnittseitenansicht einer Gassensorvorrichtung 400 gemäß der Offenbarung.
5 zeigt schematisch eine Querschnittseitenansicht einer Gassensorvorrichtung 500 gemäß der Offenbarung.
6 zeigt schematisch eine Querschnittseitenansicht einer Gassensorvorrichtung 600 gemäß der Offenbarung.
7 enthält die 7A und 7B, welche schematisch eine Draufsicht und eine Unteransicht einer Hochfrequenz-Komponente 700 zeigen, die in einer Gassensorvorrichtung gemäß der Offenbarung enthalten sein kann.
8 zeigt einen beispielhaften Frequenzverlauf eines Chirp-Signals.
9 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß der Offenbarung zum Erzeugen eines Absorptionsspektrums eines Gases.
10 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß der Offenbarung zum Herstellen einer Gassensorvorrichtung.

Detaillierte Beschreibung
In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen zur Veranschaulichung konkrete Aspekte und Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Offenbarung praktisch umgesetzt werden kann. In diesem Zusammenhang können Richtungsbegriffe wie zum Beispiel „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, usw. mit Bezug auf die Ausrichtung der beschriebenen Figuren verwendet werden. Da die Komponenten der beschriebenen Ausführungsformen in verschiedenen Ausrichtungen positioniert sein können, können die Richtungsbegriffe zum Zweck der Veranschaulichung verwendet werden und sind in keinerlei Weise einschränkend. Es können andere Aspekte verwendet und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Konzept der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Das heißt, die folgende detaillierte Beschreibung ist nicht in einem einschränkenden Sinn zu verstehen.
Die Gassensorvorrichtung 100 der 1 ist in einer allgemeinen Weise dargestellt, um Aspekte der Offenbarung qualitativ zu beschreiben. Die Gassensorvorrichtung 100 kann weitere Aspekte aufweisen, die in der 1 der Einfachheit halber nicht gezeigt sind. Beispielsweise kann die Gassensorvorrichtung 100 um beliebige Aspekte erweitert werden, die in Verbindung mit anderen Vorrichtungen oder Verfahren gemäß der Offenbarung beschrieben sind.
Die Gassensorvorrichtung 100 kann einen durch ein elektrisch leitendes Material 2 begrenzten Hohlraum 4 mit gasdurchlässigen Öffnungen 6 und reflektierenden Oberflächen 7 aufweisen. Ferner kann die Gassensorvorrichtung 100 eine Hochfrequenz-Komponente 8 mit einem Hochfrequenz-Chip 10 und mindestens einer Hochfrequenz-Antenne 12 aufweisen. Die mindestens eine Hochfrequenz-Antenne 12 kann dazu ausgelegt sein, Hochfrequenz-Signale in den Hohlraum 4 abzustrahlen und Hochfrequenz-Signale aus dem Hohlraum 4 zu empfangen. Aus der nachfolgenden Beschreibung ergibt sich unter anderem, dass das den Hohlraum 4 begrenzende elektrisch leitende Material 2 und die Hochfrequenz-Komponente 8 auf unterschiedliche Arten ausgeführt sein können und nicht auf eine bestimmte Ausführungsform beschränkt sein müssen.
Die Gassensorvorrichtung 100 kann dazu ausgelegt sein, ein Absorptionsspektrum eines sich in dem Hohlraum 4 befindlichen Gases zu erzeugen. In diesem Zusammenhang muss die Gassensorvorrichtung 100 nicht notwendigerweise auf eine bestimmte technische Anwendung beschränkt sein. In einem Beispiel kann die Gassensorvorrichtung 100 dazu ausgelegt sein, schädliche oder gefährliche Komponenten der Umgebungsluft anhand des erzeugten Absorptionsspektrums nachzuweisen. In einem weiteren Beispiel kann durch die Gassensorvorrichtung 100 eine Atemgasanalyse durchgeführt werden und basierend auf einem erzeugten Absorptionsspektrum der Atemluft Gase detektiert werden, welche auf Erkrankungen der Lunge oder anderer Organe schließen lassen.
Ein zu untersuchendes Gas kann zunächst über die gasdurchlässigen Öffnungen 6 in den Hohlraum 4 gelangen. Ist der Hohlraum 4 mit dem Gas gefüllt, kann die mindestens eine Hochfrequenz-Antenne 12 Hochfrequenz-Signale in den Hohlraum 4 abstrahlen in einem Frequenzbereich, welcher eine oder mehrere Absorptionsfrequenzen des Gases aufweisen kann. Bei den Hochfrequenz-Signalen kann es sich beispielsweise um Chirp-Signale handeln, wie sie beispielhaft in der 8 gezeigt und beschrieben sind. Die in den Hohlraum 4 abgestrahlten Hochfrequenz-Signale können mehrfach an den inneren Oberflächen 7 des elektrisch leitenden Materials 2 reflektiert werden und somit das Gas mehrfach durchlaufen. Dabei kann elektromagnetische Strahlung mit solchen Frequenzen durch das Gas absorbiert werden, welche den Absorptionsfrequenzen des Gases entsprechen. Die mindestens eine Hochfrequenz-Antenne 12 kann dementsprechend Hochfrequenz-Signale mit bei den Absorptionsfrequenzen des Gases verringerten Intensitäten aus dem Hohlraum 4 empfangen.
Die von der mindestens einen Hochfrequenz-Antenne 12 empfangenen Signale können an eine Komponente weitergeleitet werden, die dazu ausgelegt ist, die empfangene Signale zu verarbeiten und basierend auf den verarbeiteten Signalen ein Absorptionsspektrum des zu untersuchenden Gases bereitzustellen. In einem Beispiel kann es sich bei dieser Verarbeitungskomponente um den Hochfrequenz-Chip 10 bzw. eine darin integrierte Schaltung handeln. In einem weiteren Beispiel kann die Gassensorvorrichtung 100 eine andere außerhalb oder innerhalb der Hochfrequenz-Komponente 8 befindliche integrierte Schaltung zur Verarbeitung der empfangenen Signale aufweisen. Anhand des erzeugten Absorptionsspektrums kann auf eine oder mehrere vorhandene Gasspezies sowie auf deren Konzentration(en) geschlossen werden.
Die mindestens eine Hochfrequenz-Antenne 12 kann eine oder mehrere Sende- und Empfangsantennen aufweisen und mit dem Hochfrequenz-Chip 10 elektrisch gekoppelt sein. Dadurch kann der Hochfrequenz-Chip 10 einer Sendeantenne abzustrahlende Daten bereitstellen, und von einer Empfangsantenne empfangene Hochfrequenz-Signale können an den Hochfrequenz-Chip 10 zur Verarbeitung weitergeleitet werden. Der Hochfrequenz-Chip 10 kann insbesondere eine monolithisch integrierte Mikrowellenschaltung (MMIC, Monolithic Microwave Integrated Circuit) aufweisen oder einer solchen entsprechen. Der Hochfrequenz-Chip 10 kann in unterschiedlichen Frequenzbereichen arbeiten. Dementsprechend kann die mit dem Hochfrequenz-Chip 10 elektrisch gekoppelte mindestens eine Hochfrequenz-Antenne 12 dazu ausgelegt sein, Signale mit Frequenzen in diesen Frequenzbereichen abzustrahlen und/oder zu empfangen. Im Allgemeinen kann eine Frequenz der von der mindestens einen Hochfrequenz-Antenne 12 in den Hohlraum 4 abgestrahlten Hochfrequenz-Signale in einem Bereich von etwa 100 GHz bis etwa 1 THz liegen. Spezieller kann eine Frequenz der abgestrahlten Hochfrequenz-Signale in einem oder mehreren Unterbereiche des genannten Frequenzbereichs liegen. Diese Unterbereiche können insbesondere eine oder mehrere Absorptionsfrequenzen eines zu untersuchenden Gases enthalten.
Das den Hohlraum 4 ausbildende bzw. begrenzende elektrisch leitende Material 2 kann einen Faraday-Käfig um den Hohlraum 4 ausbilden. Ein Faraday-Käfig kann beschrieben werden als eine im Wesentlichen allseitig geschlossene Hülle aus einem elektrisch leitenden Material, welches dazu ausgelegt ist, als elektrische Abschirmung zu wirken. Der Hohlraum 4 kann direkt an das elektrisch leitende Material 2 angrenzen, d.h. es kann kein elektrisch isolierendes Material zwischen der Innenseite des elektrisch leitenden Materials 2 und dem Hohlraum 4 angeordnet sein. Das elektrisch leitende Material 2 kann beliebig gewählt werden und insbesondere aus einem Metall oder einer Metalllegierung gefertigt sein. In der 1 kann das elektrisch leitende Material 2 beispielhaft in Form eines Metalldeckels mit darin ausgebildeten Öffnungen 6 ausgeführt sein. Um eine allseitig geschlossene Hülle aus elektrisch leitendem Material bereitzustellen, kann zusätzlich ein elektrisch leitendes Material auf der Oberseite der Hochfrequenz-Komponente 8 angeordnet sein, welches bündig mit dem Metalldeckel abschließen kann.
Abmessungen (insbesondere maximale Abmessungen) der Öffnungen 6 können dazu ausgelegt sein, dass der Hohlraum 4 einen Hohlraumresonator für in den Hohlraum 4 abgestrahlte Hochfrequenz-Signale ausbildet. Ein Hohlraumresonator kann als hohler, geschlossener elektrischer Leiter beschrieben werden, welcher elektromagnetische Wellen (insbesondere Hochfrequenz-Wellen) enthalten kann, die zwischen den Wänden des Hohlraums hin und her reflektiert werden. Der Hohlraum 4 bzw. das elektrisch leitende Material 2 kann dazu ausgelegt sein, für von der Hochfrequenz-Antenne 12 in den Hohlraum 4 abgestrahlte Hochfrequenz-Signale im Wesentlichen undurchlässig zu sein und diese durch Reflexionen an den inneren Oberflächen 7 des elektrisch leitenden Materials 2 einzusperren bzw. zu speichern. Dies kann sowohl für eingestrahlte Hochfrequenz-Signale mit diskreten Frequenzwerten als auch für eingestrahlte Hochfrequenz-Signale mit kontinuierlichem Frequenzspektrum gelten.
Natürlicherweise muss der Hohlraumresonator in der Praxis nicht notwendigerweise eine einhundertprozentige Undurchlässigkeit bereitstellen, da in einem realen Betrieb der Gassensorvorrichtung 100 immer Leistungsverluste zu erwarten sind. Eine Durchlässigkeit bzw. Undurchlässigkeit des Hohlraumresonators kann über einen Gütefaktor des Hohlraums bzw. Hohlraumresonators beschrieben werden. Der Gütefaktor (oder Q-Faktor) eines Hohlraumresonators kann einem Verhältnis zwischen der gespeicherten Energie des Hohlraums und den Leistungsverlusten im Hohlraum entsprechen. In dem Hohlraum 4 auftretende Leistungsverluste und der Gütefaktor können dabei jeweils in zwei Anteile aufgeteilt werden. Ein erster Anteil der Leistungsverluste kann durch Dissipation in einem den Hohlraum 4 füllenden dielektrischen Material verursacht werden. Im vorliegenden Fall können Leistungsverluste insbesondere durch ein in dem Hohlraum 4 befindliches Gas verursacht werden. Ein zugehöriger Gütefaktor (Q_d) kann als dielektrischer Gütefaktor bezeichnet werden. Ein zweiter Anteil der Leistungsverluste kann durch Widerstandsverluste im metallischen Teil des Hohlraumresonators verursacht werden. In diesem Zusammenhang können insbesondere durch auf den inneren Oberflächen 7 des Hohlraums 4 induzierte Oberflächenströme Leistungsverluste verursachen. Ein zugehöriger Gütefaktor (Q_c) kann als leitfähiger Gütefaktor bezeichnet werden.
Aufgrund eines geringen elektrischen Widerstands des elektrisch leitenden Materials 2 kann der Hohlraum bzw. Hohlraumresonator 4 einen hohen Gütefaktor aufweisen. Im vorliegenden Fall kann ein Gütefaktor des Hohlraumresonators (insbesondere der leitfähige Gütefaktor Q_c) größer sein als etwa 1·10³, oder größer als etwa 5·10³, oder größer als etwa 10·10³, oder größer als etwa 15·10³, oder größer als etwa 20·10³. In einem Beispiel kann ein erhöhter Wert des Gütefaktors bereitgestellt werden, indem das elektrisch leitende Material 2 eine auf der inneren Oberfläche 7 des Hohlraums 4 angeordnete Beschichtung aufweist. Die Beschichtung kann aus einem beliebigen hochleitfähigen Material gefertigt sein. Beispielsweise kann die Beschichtung ein Edelmetall oder ein Halbedelmetall enthalten, insbesondere eines oder mehreres von Gold, Silber, Kupfer. In einem weiteren Beispiel kann ein erhöhter Wert des Gütefaktors bereitgestellt werden, indem das elektrisch leitende Material 2 einen auf der inneren Oberfläche 7 des Hohlraums 4 angeordneten Schichtstapel aufweist. Der Schichtstapel kann mindestens eine ferromagnetische Schicht (z.B. Nickel) und mindestens eine elektrisch leitende Schicht (z.B. Kupfer) aufweisen. Die ferromagnetischen und elektrisch leitenden Schichten können insbesondere abwechselnd übereinander gestapelt sein. Schichtstapel mit solchen Eigenschaften können als Meta-Leiter bezeichnet werden.
Um zu verhindern, dass in den Hohlraum 4 eingestrahlte Hochfrequenz-Signale den Hohlraum 4 durch die Öffnungen 6 verlassen, können Abmessungen der Öffnungen 6 entsprechend klein gewählt werden. Hierfür kann eine (insbesondere maximale) Abmessung der Öffnungen 6 kleiner sein als etwa eine Wellenlänge λ, der in den Hohlraum 4 abgestrahlten Hochfrequenz-Signale, oder kleiner als etwa λ/2, oder kleiner als etwa λ/4, oder kleiner als etwa λ/6, oder kleiner als etwa λ/8, oder kleiner als etwa λ/10. Gleichzeitig können die Abmessungen der Öffnungen 6 derart gewählt werden, dass ein zu untersuchendes Gas über die Öffnungen 6 in den Hohlraum 4 eindringen kann. Mit anderen Worten können die Öffnungen 6 durchlässig für das Gas, aber undurchlässig für die Hochfrequenz-Signale sein. In der 1 können die Öffnungen 6 beispielhaft über die gesamte Oberfläche des elektrisch leitenden Materials 2 verteilt sein. Alternativ können die Öffnungen 6 in weiteren Beispielen lediglich bei einer oder mehreren Stellen angeordnet sein, während die restliche Oberfläche des elektrisch leitenden Materials 2 geschlossen sein kann. Die Öffnungen 6 können eine oder mehrere beliebige Formen aufweisen, zum Beispiel mindestens eines von rund, kreisförmig, elliptisch, rechteckig, quadratisch, vieleckig, schlitzförmig, balkenförmig, usw.
Eine Abmessung des Hohlraums 4 kann von der Wellenlänge λ der von der mindestens einen Hochfrequenz-Antenne 12 in den Hohlraum 4 abgestrahlten Hochfrequenz-Signale abhängen. Eine maximale Abmessung des Hohlraums 4 kann in jeder Raumrichtung in einem Bereich von einem etwa 2-fachen der Wellenlänge λ bis zu einem etwa 50-fachen der Wellenlänge λ liegen, oder in einem Bereich von einem etwa 2-fachen der Wellenlänge λ bis zu einem etwa 40-fachen der Wellenlänge λ, oder in einem Bereich von einem etwa 2-fachen der Wellenlänge λ bis zu einem etwa 30-fachen der Wellenlänge λ, oder in einem Bereich von einem etwa 2-fachen der Wellenlänge λ bis zu einem etwa 20-fachen der Wellenlänge λ, oder in einem Bereich von einem etwa 2-fachen der Wellenlänge λ bis zu einem etwa 10-fachen der Wellenlänge λ. Unter Berücksichtigung der oben angegebenen Frequenzbereiche kann eine Abmessung des Hohlraums 4 somit beispielsweise einen oder mehrere Zentimeter betragen. Im Vergleich zu herkömmlichen Anordnungen kann die Gassensorvorrichtung 100 kompaktere Abmessungen aufweisen. In der Seitenansicht der 1 kann der Hohlraum 4 beispielhaft eine im Wesentlichen rechteckige Form aufweisen, d.h. der Hohlraum 4 bzw. das elektrisch leitende Material 2 kann zum Beispiel die räumliche Gestalt eines Quaders haben. In weiteren Beispielen kann der Hohlraum 4 eine andere Gestalt aufweisen, zum Beispiel die Form eines Würfels, eines Zylinders, einer Kugel, usw.
Die Gassensorvorrichtung 200 der 2 kann einige oder alle Merkmale der Gassensorvorrichtung 100 der 1 aufweisen. Die 2 zeigt insbesondere eine mögliche detailliertere Ausführung einer Hochfrequenz-Komponente 8, die in einer Gassensorvorrichtung gemäß der Offenbarung verwendet werden kann. Bei der Hochfrequenz-Komponente 8 der 2 kann es sich um ein Wafer-Level-Package handeln, insbesondere um ein Fan-in-Package.
Die Hochfrequenz-Komponente 8 kann einen Hochfrequenz-Chip 10 und eine auf seiner Unterseite angeordnete elektrische Umverteilungsschicht (oder Umverdrahtungsschicht) 14 aufweisen. Die Umverteilungsschicht 14 kann eine oder mehrere strukturierte Metallisierungsschichten sowie eine oder mehrere strukturierte dielektrische Schichten enthalten, welche im Wesentlichen parallel zur Unterseite des Hochfrequenz-Chips 10 verlaufen können. Die Metallschichten der Umverteilungsschicht 14 können die Funktion einer Umverteilung bzw. Umverdrahtung erfüllen und können dazu ausgelegt sein, Anschlüsse des Hochfrequenz-Chips 10 an anderen Positionen der Hochfrequenz-Komponente 8 bereitzustellen. Auf der Oberseite der Umverteilungsschicht 14 kann mindestens eine Hochfrequenz-Antenne 12 angeordnet sein. In einem Beispiel kann die Hochfrequenz-Antenne 12 durch einen strukturierten Abschnitt einer oder mehrerer der Metallisierungsschichten der Umverteilungsschicht 14 ausgebildet sein.
Die Hochfrequenz-Komponente 8 kann Kontaktelemente 16 aufweisen, welche dazu ausgelegt sind, die Hochfrequenz-Komponente 8 elektrisch und mechanisch mit einer Leiterplatte 18 zu koppeln. In der 2 können die Kontaktelemente 16 beispielhaft als Lotkugeln ausgeführt sein. Die elektrische Umverteilungsschicht 14 kann eine elektrische Verbindung zwischen Anschlüssen des Hochfrequenz-Chips 10 und den Kontaktelementen 16 bereitstellen.
Die Hochfrequenz-Komponente 8 kann eine in der Oberseite des Hochfrequenz-Chips 10 ausgebildete Vertiefung 20 aufweisen, welche über der Hochfrequenz-Antenne 12 angeordnet sein kann und in der z-Richtung betrachtet mit dieser überlappen kann. Durch die in der Oberseite des Hochfrequenz-Chips 10 ausgebildete Vertiefung 20 kann eine Strecke verkürzt sein, welche Sende- und Empfangssignale durch das Halbleitermaterial des Hochfrequenz-Chips 10 zurücklegen müssen. Hierdurch können Leistungsverluste der gesendeten und empfangenen Signale verringert werden.
Im Beispiel der 2 können die Hochfrequenz-Komponente 8 und der Hohlraum 4 über der Oberseite der Leiterplatte 18 angeordnet sein. Dabei kann die Hochfrequenz-Komponente 8 insbesondere innerhalb des Hohlraums 4 angeordnet sein. Bei dem den Hohlraum 4 ausbildenden elektrisch leitendend Material 2 kann es sich zum Beispiel um einen Metalldeckel mit darin ausgebildeten Öffnungen 4 handeln. Im Beispiel der 2 kann der Hohlraum 4 durch den Metalldeckel, durch die Leiterplatte 4 und durch die Hochfrequenz-Komponente 8 begrenzt sein.
Um einen Faraday-Käfig um den Hohlraum 4 mit verbesserten abschirmenden Eigenschaften auszubilden, können elektrisch leitende Materialien 22A und 22B auf den Oberseiten der Leiterplatte 18 bzw. der Hochfrequenz-Komponente 8 angeordnet sein. Beispielsweise kann es sich bei den elektrisch leitenden Materialien 22A und 22B um Metallbeschichtungen handeln. Des Weiteren kann die Hochfrequenz-Komponente 8 an ihren Seiten durch eine oder mehrere elektrisch leitende Strukturen 24 abgeschirmt sein, welche beispielsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung gefertigt sein können. In der Seitenansicht der 2 kann die Struktur 24 links und rechts neben der Hochfrequenz-Komponente 8 angeordnet sein. In der z-Richtung betrachtet kann die Struktur 24 die Hochfrequenz-Komponente 8 zumindest teilweise, insbesondere vollständig, umgeben. Dabei kann die Struktur 24 in der z-Richtung betrachtet eine beliebige Form aufweisen, zum Beispiel kreisförmig, ellipsenförmig, rechteckig, quadratisch, vieleckig, usw. Die Oberseite der Hochfrequenz-Komponente 8 kann optional mittels einer elektrischen Verbindung zwischen der elektrisch leitenden Struktur 24 und dem elektrisch leitenden Material 22B geerdet sein. In der 2 kann diese elektrische Verbindung beispielhaft durch einen oder mehrere Drähte 26 bereitgestellt werden.
Die Gassensorvorrichtung 300 der 3 kann einige oder alle Merkmale der Gassensorvorrichtung 200 der 2 aufweisen. Darüber hinaus kann die Gassensorvorrichtung 300 eine oder mehrere Abschirmstrukturen 28 aufweisen, welche dazu ausgelegt sind, eine Absorption von Hochfrequenz-Signalen durch die mindestens eine Hochfrequenz-Antenne 12 zu reduzieren. Die Abschirmstruktur 28 kann beispielsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung gefertigt sein. Die Abschirmstruktur 28 kann auf der Oberseite der Hochfrequenz-Komponente 8 angeordnet sein und in der Seitenansicht der 3 beispielhaft die Form eines umgedrehten Trichters aufweisen. In der z-Richtung betrachtet kann die Abschirmstruktur 28 die Hochfrequenz-Antenne 12 zumindest teilweise, insbesondere vollständig, umgeben. Dabei kann die Abschirmstruktur 28 in der z-Richtung betrachtet eine beliebige Form aufweisen, zum Beispiel kreisförmig, ellipsenförmig, rechteckig, quadratisch, vieleckig, usw. Durch die Verwendung der Abschirmstruktur 28 kann ein Gütefaktor (insbesondere der leitende Gütefaktor Q_c) des Hohlraums bzw. Hohlraumresonators 4 erhöht werden und von der Gassensorvorrichtung 300 erzeugte Gasabsorptionsspektren in ihrer Qualität verbessert werden.
Die Gassensorvorrichtung 400 der 4 kann einige oder alle Merkmale der Gassensorvorrichtung 100 der 1 aufweisen. Die 4 zeigt insbesondere eine mögliche detailliertere Ausführung einer Hochfrequenz-Komponente 8, die in einer Gassensorvorrichtung gemäß der Offenbarung verwendet werden kann. Bei der Hochfrequenz-Komponente 8 der 4 kann es sich um ein „Fan-Out“-Package handeln, welches gemäß einem eWLB (embedded Wafer Level Ball Grid Array)-Verfahren hergestellt sein kann.
Die Hochfrequenz-Komponente 8 der 4 kann ein Verkapselungsmaterial 30 und einen in das Verkapselungsmaterial 30 eingebetteten Hochfrequenz-Chip 10 aufweisen. Über der Oberseite des Hochfrequenz-Chips 10 und dem Verkapselungsmaterial 30 kann eine elektrische Umverteilungsschicht (oder Umverdrahtungsschicht) 32 angeordnet sein. Die Umverteilungsschicht 32 kann eine oder mehrere Metallschichten oder Metallbahnen 34 aufweisen, welche im Wesentlichen parallel zu den Oberseiten des Hochfrequenz-Chips 10 und/oder des Verkapselungsmaterials 30 verlaufen können. Die Metallschichten 34 der Umverteilungsschicht 32 können die Funktion einer Umverteilung bzw. Umverdrahtung erfüllen und dazu ausgelegt sein, Anschlüsse des Hochfrequenz-Chips 10 an anderen Stellen der Anordnung zur Verfügung zu stellen. Über der Oberseite der Umverteilungsschicht 32 kann mindestens eine Hochfrequenz-Antenne 12 ausgebildet sein. In der 4 sind beispielhaft zwei Hochfrequenz-Antennen 12 gezeigt, bei denen es sich zum Beispiel um eine Sendeantenne und eine Empfangsantenne handeln kann. Die Hochfrequenz-Antennen 12 können über die Umverteilungsschicht 32 und weitere elektrische Verbindungen 48 mit dem Hochfrequenz-Chip 10 gekoppelt sein.
Die Hochfrequenz-Komponente 8 kann eine oder mehrere Mikrowellenkomponenten 36 mit einer elektrisch leitenden Wandstruktur 38 aufweisen. Die jeweilige Mikrowellenkomponente 36 kann unterhalb der jeweiligen Hochfrequenz-Antenne 12 angeordnet und in das Verkapselungsmaterial 30 eingebettet sein. In der z-Richtung betrachtet kann sich eine Mikrowellenkomponente 36 und die darüber angeordnete Hochfrequenz-Antenne 12 zumindest teilweise überlappen. Die elektrisch leitende Wandstruktur 38 kann insbesondere Seitenwände der Mikrowellenkomponente 36 ausbilden. In der z-Richtung betrachtet kann die elektrisch leitende Wandstruktur 38 somit den Innenbereich der Mikrowellenkomponente 36 zumindest teilweise und insbesondere vollständig umschließen. Mit anderen Worten kann die elektrisch leitende Wandstruktur 38 einen elektrisch leitenden Käfig um den Innenbereich der Mikrowellenkomponente 36 und unterhalb der Hochfrequenz-Antenne 12 ausbilden. Zusätzlich kann die elektrisch leitende Wandstruktur 38 eine Bodenfläche der Mikrowellenkomponente 36 ausbilden. In einem Beispiel kann die elektrisch leitende Wandstruktur 38 eine Vielzahl metallisierter Via-Löcher aufweisen. Die Via-Löcher können direkt in dem Verkapselungsmaterial 30 ausgebildet sein, insbesondere in einem Fan-Out-Bereich des Verkapselungsmaterials 30 des eWLB-Gehäuses. Beispielsweise können die Via-Löcher in dem Verkapselungsmaterial 30 durch Laser-Bohren erzeugt werden, und eine Metallisierung der Innenwände der Via-Löcher kann zum Beispiel mittels einer Leitpasten- oder Metallplattierung erzeugt werden. Die metallisierten Via-Löcher können ausgelegt sein für eine Wärmeableitung zu einer der Umverteilungsschicht 32 gegenüberliegenden Metallisierung auf der Unterseite der Hochfrequenz-Komponente 8.
Die Mikrowellenkomponente 36 kann eine elektromagnetische Abschirmung sein bzw. als solche wirken. Die Hochfrequenz-Antenne 12 kann unter anderem dazu ausgelegt sein, Signale in der positiven z-Richtung abzustrahlen. Bei einer solchen Abstrahlung kann die Hochfrequenz-Antenne 12 auch Anteile elektromagnetischer Strahlung in der negativen z-Richtung sowie in der x- und y-Richtung emittieren. Die Mikrowellenkomponente 36 kann insbesondere dazu ausgelegt sein, derartige von einer bestimmten Hochfrequenz-Antenne 12 ausgehende Signalanteile gegenüber anderen Hochfrequenz-Antennen der Hochfrequenz-Komponente 8 elektromagnetisch abzuschirmen. Hierdurch kann eine verbesserte Isolierung bzw. Trennung der durch die Hochfrequenz-Antennen 12 der Hochfrequenz-Komponente 8 bereitgestellten Sende- und/oder Empfangskanäle bereitgestellt werden.
Die Gassensorvorrichtung 400 kann eine Leiterplatte 40 aufweisen, welche eine oder mehrere Metallschichten oder Metallbahnen 42 enthalten kann, die im Wesentlichen in der x-Richtung bzw. in der x-y-Ebene verlaufen können. Die Metallschichten 42 können innerhalb der Leiterplatte 40 sowie auf der Oberseite und/oder der Unterseite der Leiterplatte 40 angeordnet sein. Die auf der Oberseite und/oder Unterseite der Leiterplatte 40 angeordneten Metallschichten 42 können Kontaktflächen der Leiterplatte 40 ausbilden, auf denen elektronische Komponenten montiert werden können. Zwischen den Metallschichten 42 können eine oder mehrere dielektrische Schichten 44 angeordnet sein, um die Metallschichten 42 elektrisch voneinander zu isolieren. Die dielektrischen Schichten 44 können beispielsweise aus einem PCB-Material, wie einem faserverstärktem Kunststoff, insbesondere einem Verbundwerkstoff aus Epoxidharz und Glasfasergewebe (z.B. FR4) gefertigt sein. Die auf unterschiedlichen Ebenen angeordnete Metallschichten 42 können durch eine Vielzahl von Durchkontaktierungen 46 elektrisch miteinander verbunden sein.
Die Metallschichten 42 der Leiterplatte 40 können die Funktion einer elektrischen Umverteilung bzw. Umverdrahtung erfüllen. Eine Umverteilung kann dabei innerhalb der Leiterplatte 40 und/oder zwischen den auf den Außenseiten der Leiterplatte 40 angeordneten elektrischen Kontaktflächen bereitgestellt werden. Die Hochfrequenz-Komponente 8 kann zumindest teilweise in der Leiterplatte 40 eingebettet bzw. durch diese verkapselt sein. Dabei können insbesondere alle Flächen der Hochfrequenz-Komponente 8 von den Schichten der Leiterplatte 40 bedeckt sein. Eine elektrische Kontaktierung des Hochfrequenz-Chips 10 von außerhalb der Leiterplatte 40 kann über die Metallschichten 42, die Durchkontaktierungen 46 und die elektrische Umverteilungsschicht 32 der Hochfrequenz-Komponente 8 bereitgestellt werden.
Über der Oberseite der Leiterplatte 40 kann ein elektrisch leitendes Material 2 mit Öffnungen 4 angeordnet sein, beispielsweise in Form eines Metalldeckels mit Löchern. Das elektrisch leitende Material 2 und auf der oberen Hauptfläche der Leiterplatte 4 angeordnete Metallschichten 42 können einen Hohlraum bzw. Hohlraumresonator 4 ausbilden. Im Beispiel der 4 kann die Hochfrequenz-Komponente 8 vollständig in die Leiterplatte 40 eingebettet und somit außerhalb des Hohlraums 4 angeordnet sein. Hierdurch kann eine unerwünschte Absorption von in den Hohlraum 4 abgestrahlten und an den inneren Oberflächen 7 des Hohlraums 4 mehrfach reflektierten Hochfrequenz-Signalen durch die Hochfrequenz-Komponente 8 vermieden werden. Im Vergleich zu den Gassensorvorrichtungen 200 und 300 der 2 und 3 können deshalb von der Gassensorvorrichtung 400 erzeugte Absorptionsspektren in ihrer Qualität verbessert werden.
Die Gassensorvorrichtung 500 der 5 kann einige oder alle Merkmale der Gassensorvorrichtung 100 der 1 aufweisen. Die 5 zeigt eine mögliche detailliertere Ausführung einer Hochfrequenz-Komponente 8, die in einer Gassensorvorrichtung gemäß der Offenbarung verwendet werden kann. Bei der Hochfrequenz-Komponente 8 der 5 kann es sich um ein „Fan-Out“-Package handeln, welches gemäß einem eWLB (embedded Wafer Level Ball Grid Array)-Verfahren hergestellt sein kann.
Die Hochfrequenz-Komponente 8 der 5 kann einen in einem Verkapselungsmaterial 30 verkapselten Hochfrequenz-Chip 10 aufweisen. Über den Unterseiten des Hochfrequenz-Chips 10 und des Verkapselungsmaterials 30 kann eine Umverteilungsschicht 14 mit Metallschichten und Metallbahnen angeordnet sein. Die Hochfrequenz-Komponente 8 kann über Kontaktelemente 16 mechanisch und elektrisch mit einer Leiterplatte 18 gekoppelt sein. Die Bestandteile der Hochfrequenz-Komponente 8 können entsprechenden Elementen bereits zuvor beschriebener Vorrichtungen ähnlich sein, so dass der Einfachheit halber auf die vorhergehende Beschreibung verwiesen werden kann.
Die Hochfrequenz-Komponente 8 kann auf der oberen Hauptfläche der Leiterplatte 18 angeordnet sein. Die Leiterplatte 18 kann eine oder mehrere elektrisch leitende Strukturen 50 aufweisen, welche sich von der Oberseite der Leiterplatte 18 zur Unterseite der Leiterplatte 18 erstrecken können. Auf der Unterseite der Leiterplatte 18 kann mindestens eine Hochfrequenz-Antenne 12 angeordnet sein, welche über die elektrisch leitende Struktur 50, über die Kontaktelemente 16 und über die elektrische Umverteilungsschicht 14 mit dem Hochfrequenz-Chip 10 gekoppelt sein kann. Auf der unteren Hauptfläche der Leiterplatte 18 kann ein elektrisch leitendes Material 2 mit Öffnungen 6 angeordnet sein, welches einen Hohlraum 4 ausbildet. Die Hochfrequenz-Antenne 12 kann dazu ausgelegt sein, Hochfrequenz-Signale in den Hohlraum 4 abzustrahlen und Hochfrequenz-Signale aus dem Hohlraum 4 zu empfangen. Im Beispiel der 5 kann der Hohlraum 4 durch das elektrisch leitende Material 2 und einen Abschnitt der Leiterplatte 18 bzw. auf der Unterseite der Leiterplatte 18 angeordnete Metallschichten ausgebildet sein.
Die Hochfrequenz-Komponente 8 und der Hohlraum 4 können auf gegenüberliegenden Hauptflächen der Leiterplatte 18 angeordnet sein. Somit kann die Hochfrequenz-Komponente 8 außerhalb des Hohlraums 4 angeordnet sein. Durch eine derartige Anordnung kann eine unerwünschte Absorption von in den Hohlraum 4 abgestrahlten und an den inneren Oberflächen 7 des Hohlraums 4 mehrfach reflektierten Hochfrequenz-Signalen durch die Hochfrequenz-Komponente 8 vermieden werden. Hierdurch können von der Gassensorvorrichtung 500 erzeugte Absorptionsspektren in ihrer Qualität verbessert werden.
Die Gassensorvorrichtung 600 der 6 kann einige oder alle Merkmale der Gassensorvorrichtung 500 der 5 aufweisen. Im Gegensatz zur 5 müssen in dem elektrisch leitenden Material 2 der Gassensorvorrichtung 600 nicht notwendigerweise Öffnungen ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich zu Öffnungen in dem elektrisch leitenden Material 2 können im Beispiel der 6 eine oder mehrere Öffnungen 52 in der Leiterplatte 18 ausgebildet sein und ein Eindringen eines zu untersuchenden Gases in den Hohlraum 4 ermöglichen. In der 6 können die Öffnungen 52 beispielhaft rechts neben der Hochfrequenz-Komponente 8 in der Leiterplatte 18 ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich können weitere Öffnungen links neben der Hochfrequenz-Komponente 8 und/oder unterhalb der Hochfrequenz-Komponente 8 angeordnet sein.
Die 7A zeigt eine schematische Draufsicht einer Hochfrequenz-Komponente 700, während die 7B eine schematische Unteransicht der Hochfrequenz-Komponente 700 veranschaulicht. Die Hochfrequenz-Komponente 700 der 7 kann zum Beispiel einige oder alle Merkmale der Hochfrequenz-Komponente 8 der 2 aufweisen.
Die Draufsicht der 7A zeigt ein auf der Oberseite der Hochfrequenz-Komponente 700 angeordnetes elektrisch leitendes Material 22B und eine in der Oberseite ausgebildete Vertiefung 20. In der Vertiefung 20 können eine Hochfrequenz-Sendeantenne 12A und eine Hochfrequenz-Empfangsantenne 12B angeordnet sein. In der Draufsicht der 7A kann die Hochfrequenz-Komponente 700 beispielhaft eine im Wesentlichen quadratische Form aufweisen mit einer beispielhaften Seitenlänge in einem Bereich von etwa 0,75 mm bis etwa 2,25 mm, zum Beispiel etwa 1,5 mm. Ferner kann die Vertiefung 20 beispielhaft eine im Wesentlichen rechteckige Form aufweisen mit einer beispielhaften Seitenlänge in der x-Richtung in einem Bereich von etwa 0,2 mm bis etwa 0,6 mm, zum Beispiel etwa 0,4 mm.
Die Unteransicht der 7B zeigt auf der Unterseite der Hochfrequenz-Vorrichtung 700 angeordneten Kontaktelemente 16, welche in der 7B beispielhaft in einem quadratischen Muster angeordnet sein können. Ein Pitch der Kontaktelemente 16 kann beispielhaft in einem Bereich von etwa 0,25 mm bis etwa 0,75 mm liegen, zum Beispiel etwa 0,5 mm.
Durch die zuvor beschriebenen Gassensorvorrichtungen gemäß der Offenbarung können Absorptionsspektren eines sich in dem Hohlraum 4 befindlichen Gases erzeugt werden. Um ein Absorptionsspektrum eines Gases für einen spezifischen Frequenzbereich zu erzeugen, können Hochfrequenz-Signale mit Frequenzen in diesem Frequenzbereich in den Hohlraum 4 abgestrahlt werden. Hierbei können insbesondere Hochfrequenz-Signale verwendet werden, deren Frequenzen sich zeitlich ändern. Die 8 zeigt einen beispielhaften Frequenzverlauf eines Chirp-Signals, wie es gemäß der Offenbarung von einer Hochfrequenz-Antenne in einen Hohlraum abgestrahlt werden kann. Im Diagramm der 8 sind die Frequenzen des Chirp-Signals gegen die Zeit aufgetragen.
Im Beispiel der 8 können die Frequenzen des Chirp-Signals dem Verlauf einer Frequenzrampe zwischen einer Anfangsfrequenz f₁ und einer Endfrequenz f₂ folgen. Falls zum Beispiel ein Absorptionsspektrum eines Gases für einen Frequenzbereich von 250 GHz bis 300 GHz erzeugt werden soll, kann für die Anfangsfrequenz f₁ ein Wert von 250 GHz und für die Endfrequenz f₂ ein Wert von 300 GHz gewählt werden. Das Chirp-Signal kann in einem spezifischen Beispiel eine Gesamtdauer T_c von etwa 50 µs haben, so dass sich für die Frequenzrampe eine Steigung von etwa 1 GHz/ 1 us ergeben kann.
In der 8 kann die Gesamtdauer des Chirp-Signals beispielhaft in Zeitintervalle m₁, m₂, m₃, usw. aufgeteilt werden. Insbesondere kann dabei jedes der Zeitintervalle m_i eine im Wesentlichen gleiche Dauer haben, zum Beispiel eine Dauer von etwa 100 ns. Zu Beginn jedes Zeitintervalls m_i kann eine Sendeantenne Hochfrequenz-Signale in einen Hohlraum abstrahlen mit einer dem jeweiligen Zeitpunkt zugeordneten Frequenz der Frequenzrampe. Das gesendete Hochfrequenz-Signal kann mehrfach an den Innenflächen des Hohlraums reflektiert werden und das zu untersuchende Gas mehrfach durchlaufen. Am Ende des jeweiligen Zeitintervalls m_i kann das zumindest teilweise durch das Gas absorbierte Hochfrequenz-Signal von einer Empfangsantenne empfangen werden.
In einem Beispiel kann die Empfangsantenne die Hochfrequenz-Signale am Ende des jeweiligen Zeitintervalls m_i während eines Empfangszeitfensters mit einer beispielhaften Dauer von etwa 30 ns empfangen. Das heißt, das dem Zeitintervall m_i von 0 ns bis 100 ns zugeordnete Empfangszeitfenster am Ende des Zeitintervalls m₁ kann von etwa 70 ns bis etwa 100 ns dauern, das dem Zeitintervall m₂ von 100 ns bis 200 ns zugeordnete Empfangszeitfenster am Ende des Zeitintervalls m₂ kann von etwa 170 ns bis etwa 200 ns dauern, das dem Zeitintervall m₃ von 200 ns bis 300 ns zugeordnete Zeitfenster am Ende des Zeitintervalls m₃ kann von etwa 270 ns bis etwa 300 ns dauern, usw. Eine Auflösung eines zu erzeugenden Absorptionsspektrums kann durch die Wahl kürzerer Zeitintervalle m_i erhöht werden.
Jede der hierin beschriebenen Gassensorvorrichtungen gemäß der Offenbarung kann einen oder mehrere Schalter bzw. Schaltvorrichtungen aufweisen, welche dazu ausgelegt sind, eine Abschlussimpedanz der mindestens einen Hochfrequenz-Antenne der jeweiligen Gassensorvorrichtung während bestimmter Zeiträume zu ändern. Durch eine geeignete Änderung der Abschlussimpedanz kann eine Absorption von Hochfrequenz-Signalen durch die jeweilige Hochfrequenz-Antenne verringert und eine Güte des Hohlraumresonators erhöht werden. Beispielsweise kann eine Abschlussimpedanz einer oder mehrerer Sendeantennen zwischen dem Senden aufeinanderfolgender Hochfrequenz-Signale geändert werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Abschlussimpedanz einer oder mehrerer Empfangsantennen zwischen dem Empfangen aufeinanderfolgender Hochfrequenz-Signale geändert werden.
9 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß der Offenbarung zum Erzeugen eines Absorptionsspektrums eines Gases. Das Verfahren kann beispielsweise durch eine der in den vorhergehenden Figuren beschriebenen Gassensorvorrichtungen durchgeführt werden und kann somit in Verbindung mit der jeweiligen Figur gelesen werden. Das Verfahren ist allgemein dargestellt, um Aspekte der Offenbarung qualitativ zu beschreiben und kann weitere Aspekte aufweisen. Beispielsweise kann das Verfahren um einen oder mehrere der Aspekte erweitert werden, die in Verbindung mit den vorhergehenden Figuren beschrieben sind.
Bei 54 kann ein Eindringen eines Gases in einen durch ein elektrisch leitendes Material begrenzten Hohlraum mit reflektierenden Oberflächen über gasdurchlässige Öffnungen des Hohlraums ermöglicht werden. Bei 56 können Hochfrequenz-Signale in den Hohlraum abgestrahlt werden, wobei die Hochfrequenz-Signale in einem Frequenzbereich liegen, welcher mindestens eine Absorptionsfrequenz des Gases umfasst. Bei 58 können Hochfrequenz-Signale aus dem Hohlraum empfangen werden, wobei die empfangenen Hochfrequenz-Signale das Gas in dem Hohlraum durchlaufen haben. Bei 60 kann das Absorptionsspektrum des Gases basierend auf den empfangenen Hochfrequenz-Signalen erzeugt werden.
10 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß der Offenbarung zum Herstellen einer Gassensorvorrichtung. Das Verfahren kann beispielsweise verwendet werden, um eine der in den vorhergehenden Figuren beschriebenen Gassensorvorrichtungen herzustellen und kann somit in Verbindung mit der jeweiligen Figur gelesen werden. Das Verfahren ist allgemein dargestellt, um Aspekte der Offenbarung qualitativ zu beschreiben und kann weitere Aspekte aufweisen. Beispielsweise kann das Verfahren um einen oder mehrere der Aspekte erweitert werden, die in Verbindung mit den vorhergehenden Figuren beschrieben sind.
Bei 62 kann ein durch ein elektrisch leitendes Material begrenzter Hohlraum mit gasdurchlässigen Öffnungen und reflektierenden Oberflächen erzeugt werden. Bei 64 kann eine Hochfrequenz-Komponente erzeugt werden, umfassend einen Hochfrequenz-Chip und mindestens eine Hochfrequenz-Antenne, welche dazu ausgelegt ist, Hochfrequenz-Signale in den Hohlraum abzustrahlen und Hochfrequenz-Signale aus dem Hohlraum zu empfangen.
Beispiele
Im Folgenden werden Gassensorvorrichtungen, zugehörige Herstellungsverfahren sowie Verfahren zum Erzeugen eines Absorptionsspektrums eines Gases anhand von Beispielen erläutert.
Beispiel 1 ist eine Gassensorvorrichtung, umfassend: einen durch ein elektrisch leitendes Material begrenzten Hohlraum mit gasdurchlässigen Öffnungen und reflektierenden Oberflächen; und eine Hochfrequenz-Komponente, umfassend einen Hochfrequenz-Chip und mindestens eine Hochfrequenz-Antenne, welche dazu ausgelegt ist, Hochfrequenz-Signale in den Hohlraum abzustrahlen und Hochfrequenz-Signale aus dem Hohlraum zu empfangen.
Beispiel 2 ist eine Gassensorvorrichtung nach Beispiel 1, wobei: das den Hohlraum ausbildende elektrisch leitende Material einen Faraday-Käfig ausbildet, und Abmessungen der Öffnungen dazu ausgelegt sind, dass der Hohlraum einen Hohlraumresonator für die in den Hohlraum abgestrahlten Hochfrequenz-Signale ausbildet.
Beispiel 3 ist eine Gassensorvorrichtung nach Beispiel 1 oder 2, wobei: der Hohlraum dazu ausgelegt ist, ein Gas über die gasdurchlässigen Öffnungen aufzunehmen, und die mindestens eine Hochfrequenz-Antenne dazu ausgelegt ist, Hochfrequenz-Signale in den Hohlraum abzustrahlen in einem Frequenzbereich, welcher mindestens eine Absorptionsfrequenz des Gases umfasst.
Beispiel 4 ist eine Gassensorvorrichtung nach Beispiel 3, ferner umfassend: eine Komponente, die dazu ausgelegt ist, von der mindestens einen Hochfrequenz-Antenne aus dem Hohlraum empfangene Signale zu verarbeiten und basierend auf den verarbeiteten Signalen ein Absorptionsspektrum des Gases bereitzustellen.
Beispiel 5 ist eine Gassensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei eine Abmessung der Öffnungen kleiner ist als eine Wellenlänge der von der mindestens einen Hochfrequenz-Antenne in den Hohlraum abgestrahlten Hochfrequenz-Signale.
Beispiel 6 ist eine Gassensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei eine maximale Abmessung des Hohlraums in einem Bereich von einem 2-fachen einer Wellenlänge der von der mindestens einen Hochfrequenz-Antenne in den Hohlraum abgestrahlten Hochfrequenz-Signale bis zu einem 50-fachen der Wellenlänge liegt.
Beispiel 7 ist eine Gassensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei eine Frequenz der von der mindestens einen Hochfrequenz-Antenne in den Hohlraum abgestrahlten Hochfrequenz-Signale in einem Bereich von 100 GHz bis 1 THz liegt.
Beispiel 8 ist eine Gassensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei das elektrisch leitende Material einen Metalldeckel umfasst.
Beispiel 9 ist eine Gassensorvorrichtung nach Beispiel 8, wobei die Öffnungen in dem Metalldeckel ausgebildet sind.
Beispiel 10 ist eine Gassensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei die Hochfrequenz-Komponente innerhalb des Hohlraums angeordnet ist.
Beispiel 11 ist eine Gassensorvorrichtung nach einem der Beispiele 1 bis 9, wobei die Hochfrequenz-Komponente außerhalb des Hohlraums angeordnet ist.
Beispiel 12 ist eine Gassensorvorrichtung nach Beispiel 11, wobei der Hohlraum auf einer Hauptfläche einer Leiterplatte angeordnet ist und die Hochfrequenz-Komponente auf einer der Hauptfläche gegenüberliegenden Hauptfläche der Leiterplatte angeordnet ist.
Beispiel 13 ist eine Gassensorvorrichtung nach Beispiel 11, wobei der Hohlraum auf einer Hauptfläche einer Leiterplatte angeordnet ist und die Hochfrequenz-Komponente in die Leiterplatte eingebettet ist.
Beispiel 14 ist eine Gassensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei der Hohlraum mindestens teilweise durch eine Leiterplatte begrenzt wird und ein Teil des den Hohlraum begrenzenden elektrisch leitenden Materials auf der Leiterplatte angeordnet ist.
Beispiel 15 ist eine Gassensorvorrichtung nach Beispiel 14, wobei die Öffnungen in der Leiterplatte ausgebildet sind.
Beispiel 16 ist eine Gassensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei der Hohlraum mindestens teilweise durch die Hochfrequenz-Komponente begrenzt wird und ein Teil des den Hohlraum begrenzenden elektrisch leitenden Materials auf der Hochfrequenz-Komponente angeordnet ist.
Beispiel 17 ist eine Gassensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei das elektrisch leitende Material eine auf einer Innenfläche des Hohlraums angeordnete Beschichtung umfasst.
Beispiel 18 ist eine Gassensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei das elektrisch leitende Material einen auf einer Innenfläche des Hohlraums angeordneten Schichtstapel umfasst, wobei der Schichtstapel mindestens eine ferromagnetische Schicht und mindestens eine elektrisch leitende Schicht umfasst.
Beispiel 19 ist eine Gassensorvorrichtung nach einem der Beispiele 2 bis 18, wobei ein Gütefaktor des Hohlraumresonators größer als 10³ ist.
Beispiel 20 ist eine Gassensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei die Hochfrequenz-Komponente eine Abschirmstruktur umfasst, welche dazu ausgelegt ist, eine Absorption von Hochfrequenz-Signalen durch die mindestens eine Hochfrequenz-Antenne zu reduzieren.
Beispiel 21 ist eine Gassensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, ferner umfassend: einen Schalter, der dazu ausgelegt ist, eine Abschlussimpedanz der mindestens einen Hochfrequenz-Antenne während zumindest einem von einem Zeitraum zwischen dem Abstrahlen aufeinanderfolgender Hochfrequenz-Signale oder einem Zeitraum zwischen dem Empfang aufeinanderfolgender Hochfrequenz-Signale zu ändern.
Beispiel 22 ist eine Gassensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei die mindestens eine Hochfrequenz-Antenne dazu ausgelegt ist, Hochfrequenz-Signale in Form von Chirp-Signalen abzustrahlen.
Beispiel 23 ist ein Verfahren zum Erzeugen eines Absorptionsspektrums eines Gases, wobei das Verfahren umfasst: Ermöglichen eines Eindringens eines Gases in einen durch ein elektrisch leitendes Material begrenzten Hohlraum mit reflektierenden Oberflächen über gasdurchlässige Öffnungen des Hohlraums; Abstrahlen von Hochfrequenz-Signalen in den Hohlraum, wobei die Hochfrequenz-Signale in einem Frequenzbereich liegen, welcher mindestens eine Absorptionsfrequenz des Gases umfasst; Empfangen von Hochfrequenz-Signalen aus dem Hohlraum, wobei die empfangenen Hochfrequenz-Signale das Gas in dem Hohlraum durchlaufen haben; und Erzeugen des Absorptionsspektrums des Gases basierend auf den empfangenen Hochfrequenz-Signalen.
Beispiel 24 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Gassensorvorrichtung, wobei das Verfahren umfasst: Erzeugen eines durch ein elektrisch leitendes Material begrenzten Hohlraums mit gasdurchlässigen Öffnungen und reflektierenden Oberflächen; und Erzeugen einer Hochfrequenz-Komponente, umfassend einen Hochfrequenz-Chip und mindestens eine Hochfrequenz-Antenne, welche dazu ausgelegt ist, Hochfrequenz-Signale in den Hohlraum abzustrahlen und Hochfrequenz-Signale aus dem Hohlraum zu empfangen.
Im Sinne der vorliegenden Beschreibung brauchen die Begriffe „verbunden“, „gekoppelt“, „elektrisch verbunden“, und/oder „elektrisch gekoppelt“ nicht unbedingt zu bedeuten, dass Komponenten direkt miteinander verbunden oder gekoppelt sein müssen. Es können dazwischenliegende Komponenten zwischen den „verbundenen“, „gekoppelten“, „elektrisch verbundenen“, oder „elektrisch gekoppelten“ Komponenten vorliegen.
Ferner können die Wörter „über“ und „auf“, die zum Beispiel mit Bezug auf eine Materialschicht verwendet wird, die „über“ oder „auf“ einer Fläche eines Objekts ausgebildet ist oder sich „über“ oder „auf“ ihr befindet, in der vorliegenden Beschreibung in dem Sinne verwendet werden, dass die Materialschicht „direkt auf“, zum Beispiel in direktem Kontakt mit, der gemeinten Fläche angeordnet (zum Beispiel ausgebildet, abgeschieden, usw.) ist. Die Wörter „über“ und „auf“, die zum Beispiel mit Bezug auf eine Materialschicht verwendet werden, die „über“ oder „auf“ einer Fläche ausgebildet oder angeordnet ist, können im vorliegenden Text auch in dem Sinne verwendet werden, dass die Materialschicht „indirekt auf“ der gemeinten Fläche angeordnet (z.B. ausgebildet, abgeschieden, usw.) ist, wobei sich zum Beispiel eine oder mehrere zusätzliche Schichten zwischen der gemeinten Fläche und der Materialschicht befinden.
Insofern die Begriffe „haben“, „enthalten“, „aufweisen“, „mit“ oder Varianten davon entweder in der detaillierten Beschreibung oder den Ansprüchen verwendet werden, sollen diese Begriffe in einer ähnlichen Weise einschließend sein wie der Begriff „umfassen“. Das bedeutet, im Sinne der vorliegenden Beschreibung sind die Begriffe „haben“, „enthalten“, „aufweisen“, „mit“, „umfassen“ und dergleichen offene Begriffe, die das Vorhandensein von genannten Elementen oder Merkmalen anzeigen, aber nicht weitere Elemente oder Merkmale ausschließen. Die Artikel „ein/eine/einer“ oder „der/die/das“ sind so zu verstehen, dass sie die Mehrzahlbedeutung wie auch die Einzahlbedeutung enthalten, sofern der Zusammenhang nicht eindeutig ein anderes Verständnis nahelegt.
Darüber hinaus wird das Wort „beispielhaft“ im vorliegenden Text in dem Sinne verwendet, dass es als ein Beispiel, ein Fall oder eine Veranschaulichung dient. Ein Aspekt oder eine Ausgestaltung, der bzw. die im vorliegenden Text als „beispielhaft“ beschrieben wird, ist nicht unbedingt in dem Sinne zu verstehen, als habe er bzw. sie Vorteile gegenüber anderen Aspekten oder Ausgestaltungen. Vielmehr soll die Verwendung des Wortes „beispielhaft“ Konzepte in einer konkreten Weise darstellen. Im Sinne dieser Anmeldung meint der Begriff „oder“ kein exklusives „oder“, sondern ein inklusives „oder“. Das heißt, sofern nicht etwas anderes angegeben ist oder der Zusammenhang keine andere Deutung zulässt, meint „X verwendet A oder B“ jede der natürlichen inklusiven Permutationen. Das heißt, wenn X A verwendet, X B verwendet oder X sowohl A als auch B verwendet, so ist „X verwendet A oder B“ in jedem der oben genannten Fälle erfüllt. Außerdem können die Artikel „ein/eine/einer“ im Sinne dieser Anmeldung und der beiliegenden Ansprüche allgemein als „ein oder mehr“ ausgelegt werden, sofern nicht ausdrücklich ausgesagt ist oder eindeutig aus dem Zusammenhang zu erkennen ist, dass lediglich eine Einzahl gemeint ist. Des Weiteren bedeutet mindestens eines von A oder B oder dergleichen allgemein A oder B oder sowohl A als auch B.
In der vorliegenden Beschreibung werden Vorrichtungen und Verfahren für die Herstellung von Vorrichtungen beschrieben. Anmerkungen, die in Verbindung mit einer beschriebenen Vorrichtung gemacht werden, können auch für ein entsprechendes Verfahren gelten und umgekehrt. Wenn zum Beispiel eine bestimmte Komponente einer Vorrichtung beschrieben wird, so kann ein entsprechendes Verfahren für die Herstellung der Vorrichtung eine Handlung zum Bereitstellen der Komponente in einer geeigneten Weise enthalten, selbst wenn eine solche Handlung in den Figuren nicht explizit beschrieben oder veranschaulicht ist. Außerdem können die im vorliegenden Text beschriebenen Merkmale der verschiedenen beispielhaften Aspekte miteinander kombiniert werden, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angemerkt ist.
Obgleich die Offenbarung mit Bezug auf eine oder mehrere Implementierungen gezeigt und beschrieben wurde, fallen dem Fachmann äquivalente Abänderungen und Modifizierungen ein, die mindestens zum Teil auf dem Lesen und Verstehen dieser Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen beruhen. Die Offenbarung enthält alle derartigen Modifizierungen und Abänderungen und wird allein durch das Konzept der folgenden Ansprüche beschränkt. Speziell in Bezug auf die verschiedenen Funktionen, die durch die oben beschriebenen Komponenten (zum Beispiel Elemente, Ressourcen, usw.) ausgeführt werden, ist es beabsichtigt, dass, sofern nicht etwas anderes angegeben ist, die Begriffe, die dafür verwendet werden, solche Komponenten zu beschreiben, jeglichen Komponenten entsprechen, welche die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente (die beispielsweise funktional äquivalent ist) ausführen, selbst wenn sie der offenbarten Struktur, welche die Funktion der hierin dargestellten beispielhaften Implementierungen der Offenbarung ausführt, nicht strukturell äquivalent ist. Ferner kann, auch wenn ein bestimmtes Merkmal der Offenbarung mit Bezug auf nur eine von verschiedenen Implementierungen offenbart wurde, ein solches Merkmal mit einem oder mehreren anderen Merkmalen der anderen Implementierungen kombiniert werden, so wie es für eine gegebene oder bestimmte Anwendung gewünscht wird und vorteilhaft ist.

Claims

Gassensorvorrichtung, umfassend: einen durch ein elektrisch leitendes Material (2) begrenzten Hohlraum (4) mit gasdurchlässigen Öffnungen (6) und reflektierenden Oberflächen (7); und eine Hochfrequenz-Komponente (8), umfassend einen Hochfrequenz-Chip (10) und mindestens eine Hochfrequenz-Antenne (12), welche dazu ausgelegt ist, Hochfrequenz-Signale in den Hohlraum (4) abzustrahlen und Hochfrequenz-Signale aus dem Hohlraum (4) zu empfangen.
Gassensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei: das den Hohlraum (4) ausbildende elektrisch leitende Material (2) einen Faraday-Käfig ausbildet, und Abmessungen der Öffnungen (6) dazu ausgelegt sind, dass der Hohlraum (4) einen Hohlraumresonator für die in den Hohlraum (4) abgestrahlten Hochfrequenz-Signale ausbildet.
Gassensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei: der Hohlraum (4) dazu ausgelegt ist, ein Gas über die gasdurchlässigen Öffnungen (6) aufzunehmen, und die mindestens eine Hochfrequenz-Antenne (12) dazu ausgelegt ist, Hochfrequenz-Signale in den Hohlraum (4) abzustrahlen in einem Frequenzbereich, welcher mindestens eine Absorptionsfrequenz des Gases umfasst.
Gassensorvorrichtung nach Anspruch 3, ferner umfassend: eine Komponente, die dazu ausgelegt ist, von der mindestens einen Hochfrequenz-Antenne (12) aus dem Hohlraum (4) empfangene Signale zu verarbeiten und basierend auf den verarbeiteten Signalen ein Absorptionsspektrum des Gases bereitzustellen.
Gassensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Abmessung der Öffnungen (6) kleiner ist als eine Wellenlänge der von der mindestens einen Hochfrequenz-Antenne (12) in den Hohlraum (4) abgestrahlten Hochfrequenz-Signale.
Gassensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine maximale Abmessung des Hohlraums (4) in einem Bereich von einem 2-fachen einer Wellenlänge der von der mindestens einen Hochfrequenz-Antenne (12) in den Hohlraum (4) abgestrahlten Hochfrequenz-Signale bis zu einem 50-fachen der Wellenlänge liegt.
Gassensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Frequenz der von der mindestens einen Hochfrequenz-Antenne (12) in den Hohlraum (4) abgestrahlten Hochfrequenz-Signale in einem Bereich von 100 GHz bis 1 THz liegt.
Gassensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektrisch leitende Material (2) einen Metalldeckel umfasst.
Gassensorvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Öffnungen (6) in dem Metalldeckel ausgebildet sind.
Gassensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hochfrequenz-Komponente (8) innerhalb des Hohlraums (4) angeordnet ist.
Gassensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Hochfrequenz-Komponente (8) außerhalb des Hohlraums (4) angeordnet ist.
Gassensorvorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Hohlraum (4) auf einer Hauptfläche einer Leiterplatte (18) angeordnet ist und die Hochfrequenz-Komponente (8) auf einer der Hauptfläche gegenüberliegenden Hauptfläche der Leiterplatte (18) angeordnet ist.
Gassensorvorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Hohlraum (4) auf einer Hauptfläche einer Leiterplatte (40) angeordnet ist und die Hochfrequenz-Komponente (8) in die Leiterplatte (40) eingebettet ist.
Gassensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlraum (4) mindestens teilweise durch eine Leiterplatte (18, 40) begrenzt wird und ein Teil des den Hohlraum (4) begrenzenden elektrisch leitenden Materials (2) auf der Leiterplatte (18, 40) angeordnet ist.
Gassensorvorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Öffnungen (6, 52) in der Leiterplatte (18) ausgebildet sind.
Gassensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlraum (4) mindestens teilweise durch die Hochfrequenz-Komponente (8) begrenzt wird und ein Teil des den Hohlraum (4) begrenzenden elektrisch leitenden Materials (2) auf der Hochfrequenz-Komponente (8) angeordnet ist.
Gassensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektrisch leitende Material (2) eine auf einer Innenfläche des Hohlraums (4) angeordnete Beschichtung umfasst.
Gassensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektrisch leitende Material (2) einen auf einer Innenfläche des Hohlraums (4) angeordneten Schichtstapel umfasst, wobei der Schichtstapel mindestens eine ferromagnetische Schicht und mindestens eine elektrisch leitende Schicht umfasst.
Gassensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 18, wobei ein Gütefaktor des Hohlraumresonators größer als 10³ ist.
Gassensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hochfrequenz-Komponente (8) eine Abschirmstruktur (28) umfasst, welche dazu ausgelegt ist, eine Absorption von Hochfrequenz-Signalen durch die mindestens eine Hochfrequenz-Antenne (12) zu reduzieren.
Gassensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: einen Schalter, der dazu ausgelegt ist, eine Abschlussimpedanz der mindestens einen Hochfrequenz-Antenne (12) während zumindest einem von einem Zeitraum zwischen dem Abstrahlen aufeinanderfolgender Hochfrequenz-Signale oder einem Zeitraum zwischen dem Empfang aufeinanderfolgender Hochfrequenz-Signale zu ändern.
Gassensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Hochfrequenz-Antenne (12) dazu ausgelegt ist, Hochfrequenz-Signale in Form von Chirp-Signalen abzustrahlen.
Verfahren zum Erzeugen eines Absorptionsspektrums eines Gases, wobei das Verfahren umfasst: Ermöglichen eines Eindringens eines Gases in einen durch ein elektrisch leitendes Material (2) begrenzten Hohlraum (4) mit reflektierenden Oberflächen (7) über gasdurchlässige Öffnungen (6) des Hohlraums (4); Abstrahlen von Hochfrequenz-Signalen in den Hohlraum (4), wobei die Hochfrequenz-Signale in einem Frequenzbereich liegen, welcher mindestens eine Absorptionsfrequenz des Gases umfasst; Empfangen von Hochfrequenz-Signalen aus dem Hohlraum (4), wobei die empfangenen Hochfrequenz-Signale das Gas in dem Hohlraum (4) durchlaufen haben; und Erzeugen des Absorptionsspektrums des Gases basierend auf den empfangenen Hochfrequenz-Signalen.
Verfahren zum Herstellen einer Gassensorvorrichtung, wobei das Verfahren umfasst: Erzeugen eines durch ein elektrisch leitendes Material (2) begrenzten Hohlraums (4) mit gasdurchlässigen Öffnungen (6) und reflektierenden Oberflächen (7); und Erzeugen einer Hochfrequenz-Komponente (8), umfassend einen Hochfrequenz-Chip (10) und mindestens eine Hochfrequenz-Antenne (12), welche dazu ausgelegt ist, Hochfrequenz-Signale in den Hohlraum (4) abzustrahlen und Hochfrequenz-Signale aus dem Hohlraum (4) zu empfangen.