DE112018004522T5

DE112018004522T5 - Chemischer Sensor und Verfahren zum Bilden desselben

Info

Publication number: DE112018004522T5
Application number: DE112018004522.6T
Authority: DE
Inventors: Hong Cai; Jifang TAO; Lennon Yao Ting Lee; Alex Yuandong Gu
Original assignee: Agency for Science Technology and Research Singapore
Current assignee: Agency for Science Technology and Research Singapore
Priority date: 2017-10-12
Filing date: 2018-10-08
Publication date: 2020-06-04
Also published as: US20200278289A1; US11486820B2; SG11202002893PA; CN111213050A; WO2019074442A1

Abstract

Verschiedene Ausführungsformen können einen chemischen Sensor (200, 400, 500, 600) und ein Verfahren zum Bilden desselben in Beziehung setzen. Der chemische Sensor (200, 400, 500, 600) kann ein Substrat (202, 402) aufweisen, welches einen ersten abgedichteten (oder isolierten) Hohlraum (204, 404, 504, 604) und einen zweiten abgedichteten (oder isolierten) Hohlraum (206, 406, 506, 606), welcher von dem ersten abgedichteten (oder isolierten) Hohlraum (204, 404, 504, 604) getrennt ist, aufweist. Der chemische Sensor (200, 400, 500, 600) kann auch einen Emitter (208, 408, 508, 608) in dem ersten abgedichteten (oder isolierten) Hohlraum (204, 404, 504, 604) aufweisen, wobei der Emitter (208, 408, 508, 608) konfiguriert ist, um Infrarotlicht zu emittieren. Der chemische Sensor (200, 400, 500, 600) kann ferner einen Detektor (210, 410, 510, 610) in dem zweiten abgedichteten (oder isolierten) Hohlraum (206, 406, 506, 606) aufweisen. Der chemische Sensor (200, 400, 500, 600) kann auch einen Wellenleiter (212, 412, 512, 612) aufweisen, welcher konfiguriert ist, um das Infrarotlicht von dem Sender zu dem Detektor (210, 410, 510, 610) zu leiten. Der Wellenleiter (212, 412, 512, 612) kann einen Messabschnitt aufweisen, welcher derart konfiguriert ist, dass sich eine Eigenschaft des Infrarotlichts, welches durch den Messabschnitt geleitet wird, verändert als Reaktion auf eine chemische Substanz, welche sich in Kontakt mit dem Messabschnitt befindet. Der Detektor (210, 410, 510, 610) kann konfiguriert sein, um die Eigenschaftsveränderung (des Infrarotlichts) zu detektieren.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der singapurischen Anmeldung Nr. 10201708437Y, welche am 12. Oktober 2017 eingereicht wurde und deren Inhalt hierbei durch Referenz in seiner Gesamtheit für alle Zwecke beinhaltet ist.
Technisches Gebiet
Verschiedene Aspekte dieser Offenbarung betreffen einen chemischen Sensor. Verschiedene Aspekte dieser Offenbarung betreffen ein Verfahren zum Bilden eines chemischen Sensors.
Hintergrund
Gas-Mess-Technologien werden seit Jahrzehnten entwickelt, wobei verschiedene Verfahren das Messen von flüchtigen Gasen mit hoher Empfindlichkeit und Selektivität ermöglichen. Ein Verfahren basiert auf der präzisen Messung von spektralen Fingerabdrücken eines Gases unter Verwendung eines optischen Systems, z.B. unter Verwendung von Terahertz(THz)-Zeitbereich-Spektroskopie. Ein solches Verfahren kann jedoch begrenzte Anwendungen haben aufgrund des erforderlichen sperrigen und komplexen Systems. Tatsächlich hat es über die letzten Jahrzehnte eine steigende Nachfrage gegeben nach dem Entwickeln von kostengünstigen, kleinen und zuverlässigen Gassensoren, aufgrund ihrer breiten Anwendungen in Bereichen wie beispielsweise der Innenraum-Luft-Qualität-Überwachung (IAQ-Überwachung) und Anwendungen in der Lebensmittellagerung, der Landwirtschaft, der medizinischen Diagnostik und bei Industrieabfällen.
Auf der anderen Seite basieren die meisten aktuellen miniaturisierten und kostengünstigen kommerziellen Gassensoren auf Metalloxid-Halbleitern (z.B. Zinkoxid (ZnO) etc.), welche unter einigen inhärenten Einschränkungen leiden, welche Empfindlichkeitsdrift, kurze Lebensdauer und Querempfindlichkeit beim Mehrgasmessen miteinschließen. Tatsächlich zeigt eine leistungsfähigere Lösung --ein auf Absorptionsspektroskopie basierender nicht-dispersiver Infrarot-Gassensor (NDIR-Gassensor), eine überlegene Leistung, wie beispielsweise Reduktion von Querempfindlichkeit in einer Mehrgas-Umgebung, hohe Empfindlichkeit, geringe Drift und lange Lebensdauer (bis zu 10 Jahre). 1A ist ein Schema eines konventionellen nicht-dispersiven Infrarot-Gassensors (NDIR). 1B ist ein Schema, welches das Funktionsprinzip des nicht-dispersiven Infrarot-Gassensors (NDIR-Gassensors) darstellt. Wie in 1B gezeigt, erzeugt eine Lichtquelle, wie beispielsweise eine Glühbirne, Infrarotwellen. Die Infrarotwellen gehen durch die zu messende chemische Substanz hindurch, in diesem Fall Kohlenstoffdioxid-Gas (CO₂-Gas), welches einen Teil der Infrarotwellen absorbiert. Ein Detektor, wie beispielsweise eine Thermosäule, wird verwendet, um die Menge von Infrarotwellen zu detektieren, welche von dem Kohlenstoffdioxid-Gas absorbiert werden.
Konventionelle NDIR-Gassensoren benötigen ein Nach-der-Fertigung-Packaging („Packaging“ zu Deutsch „Einbettung“) und komplexe optische Zusammenbauprozesse, was in hohen Kosten resultieren kann und was zu unhandlichen Größen führen kann.
Es gab bereits frühere Versuche, die Sensorgröße, unter Verwenden von Wafer-Ebene-Integration zu reduzieren, um Lichtquelle, Reaktionskammer und Lichtdetektor auf einem Einzelwafer zu fertigen. Jedoch, als eine Folge des daraus resultierenden komplizierten optischen Aufbaus kann die Einkoppeleffizienz gering sein, was bedeutet, dass eine Hochleistung-Infrarot(IR)-Quelle erforderlich sein kann.
Außerdem wurde zuvor auch ein Konzept eines vollständig integrierten IR-Gassensors vorgeschlagen. Obwohl ein solches Design auf den Millimeterbereich herunterskaliert werden kann, sind Schwierigkeiten mit der geringen optischen Einkoppeleffizienz und dem schwachen Erfassen von evaneszentem Licht schwer zu überwinden. Darüber hinaus sind einige kritische Fertigungsverfahren beim Bilden des Sensors, einschließlich des Verfahrens zum Bilden des verlustarmen photonischen Wellenleiters und der Lichtquelle, sowie die Integrationsverfahren des Detektionssystems herausfordernd.
Erläuterung der Erfindung
Verschiedene Ausführungsformen können einen chemischen Sensor in Beziehung setzen. Der chemische Sensor kann ein Substrat aufweisen, welches einen ersten abgedichteten (oder isolierten) Hohlraum und einen zweiten abgedichteten (oder isolierten) Hohlraum, welcher von dem ersten abgedichteten (oder isolierten) Hohlraum getrennt ist, aufweist. Der chemische Sensor kann auch einen Emitter in dem ersten abgedichteten (oder isolierten) Hohlraum aufweisen, wobei der Emitter konfiguriert ist, um Infrarotlicht zu emittieren. Der chemische Sensor kann ferner einen Detektor in dem zweiten abgedichteten (oder isolierten) Hohlraum aufweisen. Der chemische Sensor kann auch einen Wellenleiter aufweisen, welcher konfiguriert ist, um das Infrarotlicht von dem Emitter zu dem Detektor zu leiten. Der Wellenleiter kann einen Messabschnitt aufweisen, welcher derart konfiguriert ist, dass sich eine Eigenschaft des Infrarotlichts, welches durch den Messabschnitt geleitet wird, verändert als Reaktion auf eine chemische Substanz, welche mit dem Messabschnitt in Kontakt steht. Der Detektor kann konfiguriert sein, um die Eigenschaftsveränderung (des Infrarotlichts) zu detektieren.
Verschiedene Ausführungsformen können ein Verfahren zum Bilden eines chemischen Sensors betreffen. Das Verfahren kann aufweisen: das Bereitstellen oder das Bilden eines Substrats, welches einen ersten abgedichteten (oder isolierten) Hohlraum und einen zweiten abgedichteten (oder isolierten) Hohlraum, welcher von dem ersten abgedichteten (oder isolierten) Hohlraum getrennt ist, aufweist. Das Verfahren kann auch das Bereitstellen oder das Bilden eines Emitters in dem ersten abgedichteten (oder isolierten) Hohlraum aufweisen, wobei der Emitter konfiguriert ist, um Infrarotlicht zu emittieren. Das Verfahren kann ferner das Bereitstellen eines Detektors in dem zweiten abgedichteten (oder isolierten) Hohlraum aufweisen. Das Verfahren kann zusätzlich das Bilden eines Wellenleiters aufweisen, welcher konfiguriert ist, um das Infrarotlicht von dem Emitter zu dem Detektor zu leiten. Der Wellenleiter kann einen Messabschnitt aufweisen, welcher derart konfiguriert ist, dass sich eine Eigenschaft des Infrarotlichts, welches durch den Messabschnitt geleitet wird, verändert als Reaktion auf eine Chemikalie, welche mit dem Messabschnitt in Kontakt steht. Der Detektor kann konfiguriert sein, um die Eigenschaftsveränderung (des Infrarotlichts) zu detektieren.
Figurenliste
Die Erfindung wird in Bezug auf die detaillierte Beschreibung besser verstanden, wenn sie betrachtet wird in Verbindung mit den nicht-einschränkenden Beispielen und den begleitenden Zeichnungen, in denen:

1A ein Schema eines konventionellen nicht-dispersiven Infrarot-Gassensors (NDIR-Gassensors) ist,
1B ein Schema ist, welches das Funktionsprinzip des nicht-dispersiven Infrarot-Gassensors (NDIR-Gassensors) darstellt,
2 eine allgemeine Darstellung eines chemischen Sensors gemäß verschieden Ausführungsformen zeigt,
3 eine allgemeine Darstellung eines Verfahrens zum Bilden eines chemischen Sensors gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt,
4 ein Schema eines chemischen Sensors oder eines Gassensor-Systems gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt,
5 ein Schema ist, welches einen chemischen Sensor zeigt, welcher gebildet ist unter Verwenden von Zwei-Wafer-Bonden gemäß verschiedenen Ausführungsformen,
6 ein Schema ist, welches einen chemischen Sensor zeigt, welcher gebildet ist unter Verwenden eines verkapselungsbezogenen Einzelwafer-Ansatzes gemäß verschiedenen Ausführungsformen.

Detaillierte Beschreibung
Die folgende detaillierte Beschreibung bezieht sich auf die begleitenden Zeichnungen, welche zur Veranschaulichung spezifische Details und Ausführungsformen zeigen, in denen die Erfindung angewendet werden kann. Diese Ausführungsformen sind ausreichend detailliert beschrieben, um es dem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung anzuwenden. Andere Ausführungsformen können verwendet werden, und strukturelle und logische Änderungen können vorgenommen werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Die verschiedenen Ausführungsformen schließen einander nicht notwendigerweise aus, da einige Ausführungsformen mit einer oder mehreren anderen Ausführungsformen kombiniert werden können, um neue Ausführungsformen zu bilden.
Ausführungsformen, welche in dem Kontext eines von den Verfahren oder den Sensoren beschrieben sind, sind in analoger Weise für die anderen Verfahren oder Sensoren gültig. Gleichermaßen sind Ausführungsformen, welche in dem Kontext eines Verfahrens beschrieben sind, in analoger Weise für einen Sensor gültig und umgekehrt.
Merkmale, welche in dem Kontext einer Ausführungsform beschrieben sind, können auch auf dieselben oder ähnlichen Merkmale in anderen Ausführungsformen anwendbar sein. Merkmale, welche in dem Kontext einer Ausführungsform beschrieben sind, können dementsprechend auf andere Ausführungsformen anwendbar sein, selbst wenn dies in diesen anderen Ausführungsformen nicht explizit beschrieben ist. Darüber hinaus können Hinzufügungen und/oder Kombinationen und/oder Alternativen, wie für ein Merkmal in dem Kontext einer Ausführungsform beschrieben, entsprechend auf dieselben oder ähnlichen Merkmale in den anderen Ausführungsformen anwendbar sein.
Das Wort „über“, verwendet in Bezug auf ein abgeschiedenes Material, welches „über“ einer Seite oder Fläche gebildet ist, kann hier verwendet werden, um zu bedeuten, dass das abgeschiedene Material „direkt auf/an“, z.B. in direktem Kontakt mit, der besagten Seite oder Fläche gebildet sein kann. Das Wort „über“, verwendet in Bezug auf ein abgeschiedenes Material, welches „über“ einer Seite oder Fläche gebildet ist, kann hier auch verwendet werden, um zu bedeuten, dass das abgeschiedene Material „indirekt auf/an“ der besagten Seite oder Fläche gebildet sein kann, wobei eine oder mehrere zusätzliche Schichten zwischen der besagten Seite oder Fläche und dem abgeschiedenen Material angeordnet sind. Mit anderen Worten, eine erste Schicht „über“ einer zweiten Schicht kann sich darauf beziehen, dass sich die erste Schicht direkt auf/an der zweiten Schicht befindet oder dass die erste Schicht und die zweite Schicht durch eine oder mehrere Zwischenschichten getrennt sind. Ferner muss in dem gegenwärtigen Kontext eine Schicht „über“ oder „auf/an“ einer Seite oder Fläche nicht notwendigerweise bedeuten, dass sich die Schicht oberhalb einer Seite oder Oberfläche befindet. Eine Schicht „auf/an“ einer Seite oder Fläche kann bedeuten, dass die Schicht in direktem Kontakt mit der Seite oder Fläche gebildet ist, und eine Schicht „über“ einer Seite oder Fläche kann bedeuten, dass die Schicht in direktem Kontakt mit der Seite oder Fläche gebildet ist oder von der Seite oder Fläche durch eine oder mehrere Zwischenschichten getrennt sein kann.
In dem Kontext verschiedener Ausführungsformen beinhalten die Artikel „ein/e“ und „der/die/das“, wie bezogen auf ein Merkmal oder Bauteil verwendet, eine Referenz auf eines oder mehrere von den Merkmalen oder Bauteilen.
In dem Kontext verschiedener Ausführungsformen beinhaltet der Begriff „ungefähr“ oder „näherungsweise“, wie für numerische Werte verwendet, den exakten Wert und eine sinnvolle Abweichung.
Wie hier verwendet, beinhaltet der Begriff „und/oder“ jedwede und alle Kombinationen von einem oder mehreren von den dazugehörigen aufgelisteten Objekten.
Verschiedene Ausführungsformen können danach streben, eines oder mehrere der oben genannten Themen anzugehen. Verschiedene Ausführungsformen können einen chemischen Sensor mit hoher Selektivität und/oder geringer Leistungsdrift bei Alterung betreffen. Verschiedene Ausführungsformen erfreuen sich geringerer Kosten, und/oder können eine geringere Größe aufweisen verglichen mit konventionellen chemischen Sensoren. Verschiedene Ausführungsformen können eine hohe Einkoppeleffizienz haben.
2 zeigt eine allgemeine Darstellung eines chemischen Sensors 200 gemäß verschiedener Ausführungsformen. In dem gegenwärtigen Kontext kann ein chemischer Sensor 200 eine Vorrichtung sein, welche verwendet werden kann, um jede geeignete chemische Substanz zu messen oder zu detektieren. Der chemische Sensor 200 kann verwendet werden, um ein Gas zu messen oder zu detektieren. Der chemische Sensor 200 kann alternativ oder zusätzlich verwendet werden, um eine Chemikalie in flüssiger Form zu messen oder zu detektieren. Der chemische Sensor 200 kann ein Gassensor sein (welcher alternativ als Gassensor-System bezeichnet werden kann).
Der chemische Sensor 200 kann ein Substrat 202 aufweisen, welches einen ersten abgedichteten (oder isolierten) Hohlraum 204 und einen zweiten abgedichteten (oder isolierten) Hohlraum 206, welcher von dem ersten abgedichteten (oder isolierten) Hohlraum 204 getrennt ist, aufweist. Der chemische Sensor 200 kann auch einen Emitter 208 in dem ersten abgedichteten (oder isolierten) Hohlraum 204 aufweisen, wobei der Emitter 208 konfiguriert ist, um Infrarotlicht zu emittieren. Der chemische Sensor 200 kann ferner einen Detektor 210 in dem zweiten abgedichteten (oder isolierten) Hohlraum 206 aufweisen. Der chemische Sensor 200 kann auch einen Wellenleiter 212 aufweisen, welcher konfiguriert ist, um das Infrarotlicht von dem Emitter 208 zu dem Detektor 210 zu leiten.
DerWellenleiter 112 kann einen Messabschnitt aufweisen, welcher derart konfiguriert ist, dass sich eine Eigenschaft des Infrarotlichts, welches durch den Messabschnitt geleitet wird, verändert als Reaktion auf eine chemische Substanz, welche mit dem Messabschnitt in Kontakt steht. Der Detektor 210 kann konfiguriert sein, um die Eigenschaftsveränderung (des Infrarotlichts) zu detektieren.
Mit anderen Worten, der chemische Sensor 200 kann zwei abgedichtete (oder isolierte) Hohlräume 204, 206 haben. Ein Hohlraum 204 kann einen Emitter 208 beherbergen, welcher Infrarotlicht emittiert, und ein anderer Hohlraum 206 kann einen Detektor 210 beherbergen. Der chemische Sensor 200 kann auch einen Wellenleiter 212 aufweisen, welcher sich zwischen den beiden Hohlräumen 204, 206 erstreckt, um das Infrarotlicht von dem ersten Hohlraum 204 zu dem zweiten Hohlraum 206 zu leiten. Der Wellenleiter 212 kann einen Messabschnitt haben, in welchem sich das Infrarotlicht verändert als Reaktion auf eine chemische Substanz, welche mit dem Messabschnitt in Kontakt kommt. Der Detektor 210 detektiert dann die Veränderung in dem Infrarotlicht, um die chemische Substanz zu identifizieren oder zu messen.
Zur Vermeidung von Zweifeln dient 2 dazu, um die verschiedenen Bauteile eines chemischen Sensors 200 gemäß verschiedenen Ausführungsformen darzustellen, und muss dabei nicht notwendigerweise die Positionen oder die Anordnung der verschiedenen Bauteile in Bezug zueinander beschränken. Zum Beispiel zeigt 2 den Emitter 208 am Boden des Hohlraums 204 und den Detektor 210 am Boden des Hohlraums 206. Es kann jedoch möglich sein, dass der Emitter 208 in dem Hohlraum 204 aufgehängt ist und der Detektor 210 in dem Hohlraum 206 aufgehängt ist. Darüber hinaus beschränkt 2 nicht notwendigerweise die Größe, Form oder Ausrichtung der verschiedenen Bauteile.
In dem gegenwärtigen Kontext bezieht sich ein „abgedichteter Hohlraum“ auf einen Hohlraum, in dem es keinen wesentlichen Stoffaustausch zwischen dem Hohlraum und der äußeren Umgebung gibt. Zum Beispiel kann Luft von der äußeren Umgebung daran gehindert werden, in den abgedichteten Hohlraum zu gelangen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der abgedichtete Hohlraum ein vakuumdichter Hohlraum sein, z.B. kann der abgedichtete Hohlraum ein Vakuum oder ein partielles Vakuum enthalten. Der erste abgedichtete Hohlraum 204 kann ein vakuumdichter Hohlraum sein. Der zweite abgedichtete Hohlraum 206 kann ein weiterer vakuumdichter Hohlraum sein.
In dem gegenwärtigen Kontext kann ein „isolierter Hohlraum“ ein Hohlraum sein, in welchem eine Vorrichtung, welche innerhalb des Hohlraums angeordnet ist, frei ist von oder reduziert beeinflusst ist von externen Faktoren, wie beispielsweise thermischen Rauschens, Umgebungstemperaturänderungen, chemischer Erosion und Kontamination etc.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Messabschnitt exponiert sein, um es der Chemikalie zu ermöglichen, in Kontakt mit dem Messabschnitt zu kommen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der chemische Sensor 200 eine Ummantelung aufweisen, um einen verbleibenden Abschnitt des Wellenleiters 212 abzudecken.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der chemische Sensor 200 ferner einen ersten Gitterkoppler aufweisen, welcher konfiguriert ist, um das Infrarotlicht von dem Emitter 206 in den Wellenleiter 212 einzukoppeln. Der chemische Sensor 200 kann auch einen zweiten Gitterkoppler aufweisen, welcher konfiguriert ist, um das Infrarotlicht von dem Wellenleiter 212 in den Detektor 210 einzukoppeln.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der chemische Sensor 200 einen ersten Reflektor aufweisen, welcher konfiguriert ist, um das Infrarotlicht von dem ersten Gitterkoppler zu dem Wellenleiter 212 zu lenken. In verschiedenen Ausführungsformen kann der chemische Sensor 200 auch einen zweiten Reflektor aufweisen, welcher konfiguriert ist, um das Infrarotlicht von dem Wellenleiter 212 zu dem zweiten Gitterkoppler zu lenken. Der erste Reflektor kann ein Prisma oder ein Spiegel sein. Der zweite Reflektor kann ein Prisma oder ein Spiegel sein.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der chemische Sensor 200 konfiguriert sein, um mehrere chemische Substanzen gleichzeitig zu detektieren. Verschiedene Ausführungsformen können ein Demultiplexier-Verfahren aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen kann der chemische Sensor 200 ferner einen oder mehrere zusätzliche Wellenleiter aufweisen. Der Wellenleiter 212 und der eine oder die mehreren zusätzlichen Wellenleiter können eine Mehrzahl von Wellenleitern bilden. Ein Wellenleiter von der Mehrzahl von Wellenleitern kann konfiguriert sein, um eine erste vorbestimmte Wellenlänge oder einen ersten vorbestimmten Wellenlängenbereich von Infrarotlicht zu leiten, während ein anderer Wellenleiter von der Mehrzahl von Wellenleitern konfiguriert sein kann, um eine zweite vorbestimmte Wellenlänge (die sich von der ersten vorbestimmten Wellenlänge unterscheidet) oder einen zweiten vorbestimmten Wellenlängenbereich (der sich von dem zweiten vorbestimmten Wellenlängenbereich unterscheidet) von Infrarotlicht zu leiten.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der chemische Sensor 200 ferner einen oder mehrere zusätzliche Detektoren aufweisen. Der Detektor 210 und der eine oder die mehreren zusätzlichen Detektoren können eine Mehrzahl von Detektoren, d.h. ein Detektor-Feld, bilden. Ein Detektor von der Mehrzahl von Detektoren kann konfiguriert sein, um eine erste vorbestimmte Wellenlänge oder einen ersten vorbestimmten Wellenlängenbereich von Infrarotlicht zu detektieren, während ein anderer Detektor von der Mehrzahl von Detektoren konfiguriert sein kann, um eine zweite vorbestimmte Wellenlänge oder einen zweiten vorbestimmten Wellenlängenbereich von Infrarotlicht zu detektieren.
Der erste Gitterkoppler kann konfiguriert sein, um das Infrarotlicht (welches auf den ersten Gitterkoppler einfällt) in eine Mehrzahl von Wellenlängen oder eine Mehrzahl von vorbestimmten Wellenlängenbereichen aufzuteilen. Die Mehrzahl von Wellenlängen oder die Mehrzahl von vorbestimmten Wellenlängenbereichen kann sich entlang der Mehrzahl von Wellenleitern bewegen, wobei jeder Wellenleiter konfiguriert ist, um eine Wellenlänge oder einen vorbestimmten Wellenlängenbereich zu leiten. Jede Wellenlänge oder jeder vorbestimmte Wellenlängenbereich kann von einem jeweiligen Detektor von der Mehrzahl von Detektoren detektiert werden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Emitter 208 in dem ersten abgedichteten oder isolierten Hohlraum 204 aufgehängt sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Detektor 210 in dem zweiten abgedichteten oder isolierten Hohlraum 206 aufgehängt sein.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Substrat 202 aufweisen: einen ersten Wafer und einen zweiten Wafer, welcher mit dem ersten Wafer verbunden/gebondet (z.B. über eine Bonding-Verbindung verbunden) ist, um den ersten abgedichteten Hohlraum 204 und den zweiten abgedichteten Hohlraum 206 zu bilden. Der zweite Wafer kann den Wellenleiter 212 oder die Mehrzahl von Wellenleitern aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen, kann der erste Wafer mit dem zweiten Wafer vakuumverklebt sein.
In verschiedenen anderen Ausführungsformen kann das Substrat 202 einen Wafer und eine Verkapselungsschicht über dem Wafer aufweisen, um den ersten abgedichteten Hohlraum 204 und den zweiten abgedichteten Hohlraum 206 zu bilden. Die Verkapselungsschicht kann den Wellenleiter oder die Mehrzahl von Wellenleitern einschließen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der chemische Sensor 200 ferner einen weiteren Detektor in dem zweiten abgedichteten Hohlraum 206 aufweisen. Der chemische Sensor 200 kann ferner einen weiteren Wellenleiter aufweisen, welcher konfiguriert ist, um das Infrarotlicht von dem Emitter zu dem weiteren Detektor zu leiten. Der weitere Wellenleiter ist konfiguriert, um als Referenz zu dienen, d.h. der weitere Wellenleiter kann ein Referenz-Wellenleiter sein. Der chemische Sensor 200 kann eine Ummantelung aufweisen, um den weiteren Wellenleiter vollständig abzudecken.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Eigenschaft des Infrarotlichts ein Absorptionsspektrum des Infrarotlichts sein. Verschiedene chemische Substanzen können unterschiedliche Wellenlängen des Infrarotlichts absorbieren, und das Infrarotlicht, welches eine chemische Substanz durchquert hat, kann ein charakteristisches Absorptionsspektrum haben. Dementsprechend kann der Detektor 210 in der Lage sein, eine chemische Substanz zu identifizieren durch Detektieren, wie sich das Absorptionsspektrum vor und nach der Einführung der chemischen Substanz in den Messabschnitt des Wellenleiters 212 verändert hat.
In verschiedenen anderen Ausführungsformen kann die Eigenschaft des Infrarotlichts eine Intensität des Infrarotlichts sein. Unterschiedliche chemische Substanzen oder unterschiedliche Mengen/Konzentrationen derselben chemischen Substanz können unterschiedliche Intensitäten des Infrarotlichts absorbieren. Dementsprechend kann der Detektor 210 in der Lage sein, eine chemische Substanz zu identifizieren oder die Menge/Konzentration einer/der chemischen Substanz zu bestimmen durch Detektieren der Intensitätsveränderung vor und nach der Einführung der chemischen Substanz in den Messabschnitt des Wellenleiters 212.
3 zeigt eine allgemeine Darstellung eines Verfahrens zum Bilden eines chemischen Sensors gemäß verschiedener Ausführungsformen. Das Verfahren kann, in Schritt 302, aufweisen: das Bereitstellen oder das Bilden eines Substrats, welches einen ersten abgedichteten oder isolierten Hohlraum und einen zweiten abgedichteten oder isolierten Hohlraum, welcher von dem ersten abgedichteten oder isolierten Hohlraum getrennt ist, aufweist. Das Verfahren kann auch aufweisen, in Schritt 304, das Bereitstellen oder das Bilden eines Emitters in dem ersten abgedichteten oder isolierten Hohlraum, wobei der Emitter konfiguriert ist, um Infrarotlicht zu emittieren. Das Verfahren kann, in Schritt 306, ferner aufweisen: das Bereitstellen oder das Bilden eines Detektors in dem zweiten abgedichteten oder isolierten Hohlraum. Das Verfahren kann, in Schritt 308, zusätzlich das Bilden eines Wellenleiters aufweisen, welcher konfiguriert ist, um das Infrarotlicht von dem Emitter zu dem Detektor zu leiten. Der Wellenleiter kann einen Messabschnitt aufweisen, welcher derart konfiguriert ist, dass sich eine Eigenschaft des durch den Messabschnitt geleiteten Infrarotlichts verändert als Reaktion auf eine mit dem Messabschnitt in Kontakt stehende Chemikalie. Der Detektor kann konfiguriert sein, um die Eigenschaftsveränderung (des Infrarotlichts) zu detektieren.
Mit anderen Worten, das Verfahren kann aufweisen: das Anordnen des Emitters und des Detektors in getrennten abgedichteten oder isolierten Hohlräumen. Das Verfahren kann auch aufweisen: das Fertigen eines Wellenleiters, um den ersten Hohlraum und den zweiten Hohlraum zu verbinden.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Substrat einen ersten Wafer und einen zweiten Wafer aufweisen, welcher mit dem ersten Wafer verbunden/gebondet ist, um den ersten abgedichteten oder isolierten Hohlraum und den zweiten abgedichteten oder isolierten Hohlraum zu bilden. Der erste Wafer kann mit dem zweiten Wafer vakuumverklebt sein. Das Verfahren kann auch das Verbinden/Bonden oder das Vakuumverkleben des ersten Wafers und des zweiten Wafers aufweisen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Substrat einen Wafer und eine Verkapselungsschicht über dem Wafer aufweisen, um den ersten abgedichteten Hohlraum und den zweiten abgedichteten Hohlraum zu bilden. Das Verfahren kann aufweisen: das Befestigen oder das Ankleben oder das Vergießen der Verkapselungsschicht an/auf dem Wafer. Die Verkapselungsschicht kann einen Wellenleiter aufweisen.
4 zeigt ein Schema eines chemischen Sensors oder eines Gassensor-Systems 400 gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Der chemische Sensor oder ein Gassensor-System 400 kann ein Substrat 402 aufweisen, welches einen ersten abgedichteten (oder isolierten) Hohlraum 404 und einen zweiten abgedichteten (oder isolierten) Hohlraum 406, welcher von dem ersten abgedichteten (oder isolierten) Hohlraum 404 getrennt ist, aufweist. Der chemische Sensor oder ein Gassensor-System 400 kann auch einen Emitter 408 in dem ersten abgedichteten (oder isolierten) Hohlraum 404 aufweisen, wobei der Emitter 408 konfiguriert ist, um Infrarotlicht zu emittieren. Der chemische Sensor oder ein Gassensor-System 400 kann ferner einen Detektor 410 in dem zweiten abgedichteten (oder isolierten) Hohlraum 406 aufweisen. Der chemische Sensor oder ein Gassensor-System 400 kann auch ein oder mehrere Messelemente aufweisen, z.B. Wellenleiter 412, welche konfiguriert sind, um das Infrarotlicht von dem Emitter 408 zu dem Detektor 410 zu leiten.
Der Wellenleiter 412 kann einen Messabschnitt aufweisen, welcher derart konfiguriert ist, dass sich eine Eigenschaft des Infrarotlichts, welches durch den Messabschnitt geleitet wird, verändert als Reaktion auf eine chemische Substanz, welche sich in Kontakt mit dem Messabschnitt befindet. Der Detektor 410 kann konfiguriert sein, um die Eigenschaftsveränderung (des Infrarotlichts) zu detektieren.
Zusätzlich kann der chemische Sensor oder das Gassensor-System 400 einen ersten Gitterkoppler 414 aufweisen, welcher konfiguriert ist, um das Infrarotlicht von dem Emitter 408 in den Wellenleiters 412 einzukoppeln. Das Infrarotlicht kann von dem einen oder mehreren Wellenleiter/n geleitet werden, um durch das Messfenster hindurch zu der Detektorseite zu gehen, bevor es von einem zweiten Gitterkoppler 416 in den Detektor 410 eingekoppelt wird. Der chemische Sensor oder das Gassensor-System 400 kann ferner aufweisen: einen ersten Reflektor 418, welcher konfiguriert ist, um mit dem ersten Gitterkoppler 414 zusammenzuarbeiten, und einen zweiten Reflektor 420, welcher konfiguriert ist, um mit dem zweiten Gitterkoppler 416 zusammenzuarbeiten.
Innerhalb des Messfensters kann der Wellenleiter der chemischen Substanz ausgesetzt sein. Dementsprechend kann es eine Wechselwirkung zwischen der chemischen Substanz und dem Licht geben. Jede Komponente in dem Gassensor oder dem System 400 kann unter Verwenden von Mikroelektromechanischen-System-(MEMS-) und Photonischer-Fertigung-Technologien gefertigt werden.
Beim Versiegeln des Emitters 408 und des Detektors 410 innerhalb des jeweiligen isolierten Hohlraums 404, 406 können die internen Beeinträchtigung-Effekte/kann der interne Beeinträchtigung-Einfluss (z.B. Temperatur, Feuchtigkeit etc.) auf den Emitter 408 oder den Detektor 410 reduziert werden. Zusätzlich können der Emitter 408 und der Detektor 410 abgeschirmt oder geschützt werden vor den externen Einflüssen, wie beispielsweise vor thermischem Rauschen, Umgebungstemperaturänderungen, chemischer Erosion, Kontamination etc.
Daher kann die isolierte abgedichtete Hohlraum-Anordnung entscheidend sein für das Verbessern der Stabilität und Zuverlässigkeit des Systems 400. Mit anderen Worten, die abgedichteten/isolierten Hohlräume 404, 406 können die Empfindlichkeit und die Nachweisgrenze des Sensor-Systems 400 verbessern.
Das System 400 kann gebildet werden unter Verwenden des (1) Zwei-Wafer-Bonding-Ansatzes oder des (2) verkapselungsbezogenen Einzelwafer-Ansatzes. Beide Ansätze können in der Lage sein, eine isolierte (einschließlich einer vakuumdichten) Hohlraumlösung auf Wafer-Ebene für den Emitter 408 und den Detektor 410 bereitzustellen, und können die Sensor-Systemstabilität stark verbessern, während gleichzeitig die Packaging-Komplexität und die Packaging-Kosten reduziert werden.
Zwei-Wafer-Bonding
5 ist ein Schema, welches einen chemischen Sensor 500 zeigt, welcher gebildet ist unter Anwenden von Zwei-Wafer-Bonding gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Das Substrat kann einen ersten Wafer 502a aufweisen, welcher mit dem zweiten Wafer 502b vakuumverklebt/vakkumgebondet ist. Der erste Wafer 502a (alternativ bezeichnet als ein Boden-Wafer) kann aufweisen: einen Emitter 508 in einem ersten Hohlraum und einen Detektor 510 in einem zweiten Hohlraum. Der erste Wafer 502a kann mit dem zweiten Wafer 502b (alternativ bezeichnet als ein Deckel-Wafer) verbunden/gebondet (z.B. über eine Bonding-Verbindung verbunden) sein, um einen ersten vakuumdichten Hohlraum 504, welcher den Emitter 508 enthält, und einen zweiten vakuumdichten Hohlraum 506, welcher den Detektor 510 enthält, zu bilden. Da sich der Emitter 508 in dem ersten Hohlraum 504 befindet und sich der Detektor 510 in dem zweiten Hohlraum 506 befindet, können sie mit weniger Beeinflussung-Einfluss (Interferenz-Einfluss) agieren. Klebstoffe wie SU-8 und Benzocyclobuten (BCB) können für das Verbinden/Bonding zwischen dem ersten Wafer 502a und dem zweiten Wafer 502b verwendet werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Verbindung/das Bonding zwischen dem ersten Wafer 502a und dem zweiten Wafer ein/e direkte/s Wafer-zu-Wafer-Verbindung/Bonding sein.
Der zweite Wafer 502b kann aufweisen: den ersten Gitterkoppler 514, den zweiten Gitterkoppler 516, den ersten Reflektor 518, den zweiten Reflektor 520 sowie Mess-Wellenleiter 512, und Referenz-Wellenleiter (nicht gezeigt in 5). Der erste Gitterkoppler 514, der zweite Gitterkoppler 516, der erste Reflektor 518, der zweite Reflektor 520, die Mess-Wellenleiter 512 und die Referenz-Wellenleiter können gebildet sein unter Verwenden von Photonischer-Fertigung-Technologien.
Der Mess-Wellenleiter 512 kann als ein Wechselwirkungskanal für die chemische Substanz oder das Gas sowie das Licht agieren.
Der erste Reflektor 518 (z.B. ein Spiegel) mit einer dem ersten Gitterkoppler 514 zugewandten reflektierenden Schicht kann konfiguriert sein, um mit dem ersten Gitterkoppler 514 zusammenzuarbeiten. In gleicher Weise, kann der zweite Reflektor 520 (z.B. ein Spiegel) mit einer dem Gitterkoppler 516 zugewandten reflektierenden Schicht, konfiguriert sein, um mit dem zweiten Gitterkoppler 516 zusammenzuarbeiten.
Das Messfenster (in der Proben-Zelle) kann gebildet sein unter Verwenden von Trocken-Freisetzung, und der Mess-Wellenleiter 512 kann der chemischen Substanz, wie beispielsweise einem Proben-Gas, ausgesetzt sein. Die Referenz-Zelle kann ohne ein Messfenster sein. In der Referenz-Zelle dürfen die Referenz-Wellenleiter nicht ausgesetzt/exponiert sein. Eine Schicht von Ummantelung (auch nicht gezeigt in 5) kann die Referenz-Wellenleiter abdecken.
Die Einführung der Referenz-Zelle mit den Referenz-Wellenleitern kann dazu beitragen, den Einfluss oder die Beeinträchtigung, welche/r von Nicht-Zielgruppe-Sorten verursacht wird, zu kompensieren.
Verkapselungsbezogener Einzelwafer-Ansatz
6 ist ein Schema, welches einen chemischen Sensor 600 zeigt, welcher gebildet ist unter Verwenden eines verkapselungsbezogenen Einzelwafer-Ansatzes gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Bei diesem Ansatz kann der Emitter 608 in einem ersten Hohlraum bereitgestellt sein und der Detektor 610 kann in einem zweiten Hohlraum in einem Substrat-Wafer 602a bereitgestellt ein. Eine Verkapselungsstruktur oder -schicht 602b kann auf dem Substrat-Wafer 602a gebildet sein. Wenn die Verkapselungsstruktur oder -schicht 602b auf dem Substrat-Wafer 602a gebildet ist/wird, kann der erste Hohlraum abgedichtet sein/werden, um den ersten vakuumdichten Hohlraum 604 zu bilden, welcher den Emitter 608 enthält, während der zweite Hohlraum abgedichtet sein/werden kann, um den zweiten vakuumdichten Hohlraum 606 zu bilden, welcher den Detektor 610 enthält.
Verfahren wie Filmabscheidung und Ätzen können verwendet werden, um den ersten Gitterkoppler 614, den zweiten Gitterkoppler 616, den ersten Reflektor 618, den zweiten Reflektor 620, die Mess-Wellenleiter 612 und die Referenz-Wellenleiter (nicht gezeigt in 6) auf der Verkapselungsschicht oder -struktur 602b zu bilden. Das lithographische Ausrichtungsverfahren für Hohlräume 604, 606 kann die Effizienz des Emitters 608 und/oder des Detektors 610 verbessern.
In verschiedenen Ausführungsformen kann während des Betriebs ein Lichtstrahl, welcher von dem Emitter emittiert wird, von dem ersten Gitterkoppler (und unterstützt von dem ersten Reflektor) in Wellenleiter eingekoppelt werden, von denen jeder einen als Messabschnitt definierten Abschnitt hat (d.h. innerhalb eines Messfensters). Der erste Gitterkoppler kann mit dem Reflektor zusammenarbeiten, um das emittierte Licht zu entbündeln/demultiplexen oder das emittierte Licht in Licht unterschiedlicher Wellenlängen zu sortieren für verschiedene Kanäle. Dementsprechend kann das Licht unterschiedlicher Wellenlängen entlang verschiedener Mess-Wellenleiter geleitet werden. Von daher kann der chemische Sensor die gleichzeitige Detektion mehrerer chemischer Substanzen oder Gase unterstützen. Der chemische Sensor kann auch eine Vielzahl von Detektoren aufweisen, wodurch ein Detektor-Feld gebildet wird. Verschiedene Detektoren können Licht verschiedener Wellenlängen detektieren. Nach der Wechselwirkung mit verschiedenen Chemikalien oder Gasmolekülen kann das Licht entlang der Mess-Wellenleiter reflektiert werden (über einen zweiten Reflektor), und (über einen zweiten Gitterkoppler) in das Detektor-Feld gekoppelt werden. Der erste Gitterkoppler kann die Lichteinkoppeleffizienz von dem Emitter zu dem Detektor verbessern. Der erste Gitterkoppler kann gemeinsam mit dem ersten Reflektor als optisches Kollimation-Bauteil fungieren und kann auch konfiguriert sein, um Licht in verschiedene Wellenlängen zu zerstreuen. Der zweite Gitterkoppler (mit zweitem Reflektor) kann dazu beitragen, Licht auf das Detektor-Feld zu lenken und einzukoppeln, wodurch die Detektoreffizienz verbessert wird.
In dem chemischen System oder dem Gas-Mess-System können gemäß verschiedenen Ausführungsformen zwei isolierte (z.B. vakuumdichte) Hohlräume verwendet werden, ein Hohlraum für den Emitter und ein weiterer Hohlraum für den Detektor. An dem Detektion-Ende kann der Detektor-Hohlraum eine thermische Isolierung bereitstellen, d.h. die Wärmeleitung von dem Detektor zu der Umgebung reduzieren oder verhindern, was dazu beitragen kann, die Detektionseffizienz (d.h. die Detektivität) zu verbessern, weil nun mehr thermische Energie auf den Detektor gerichtet wird.
An dem Emission-Ende kann der Emitter-Hohlraum den Einfluss von Umwelt-/Umgebungsfaktoren, z.B. Temperatur, Druck, Feuchtigkeit etc., auf den Messabschnitt reduzieren, was in einer höheren Selektivität und Genauigkeit des Sensor-Systems resultiert. Darüber hinaus kann ein solches Hohlraumdesign auch dazu beitragen, den Umgebungseinfluss der chemischen Substanz, wie beispielsweise die von der chemischen Substanz verursachte chemische Erosion, auf den Emitter oder den Detektor zu reduzieren. Folglich können die Hohlräume dazu beitragen, die Lebensdauer, Stabilität und Zuverlässigkeit des Sensor-Systems zu verbessern.
Verschiedene Ausführungsformen können ein Miniatur- Wafer-Ebene-NDIR-Chemikalie/Gas-Mess-System betreffen, welches auf MEMS- und Photonik-Technologien basiert. Durch das Ausnutzen von Vorteilen des fortgeschrittenen Wafer-Ebene-Bondens, der Verkapselungstechniken und des Gitterkoppler-Designs kann das Messsystem eine höhere Lichteinkoppeleffizienz sowie eine bessere Selektivität und Empfindlichkeit erreichen. Die vakuumdichten Hohlräume (für den Emitter und den Detektor) können nicht nur dem Sensor-System eine langfristige Zuverlässigkeit und eine erhöhte Lebensdauer verleihen, sondern auch individuell die Effizienz des Emitters und des Detektors verbessern. Verschiedene Ausführungsformen können den Weg für die On-Chip-Chemikalien/Gas-Detektion ebnen und können in breiteren Anwendungsgebieten verwendet werden, welche eine genaue und zuverlässige Chemikalie/Gas-Überwachung benötigen, wie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, der Landwirtschaft, der Biologie und der Innenraum-Luft-Qualität-Überwachung.
Verschiedene Ausführungsformen können eine Wafer-Ebene-Integration aufweisen, welche den Emitter, den Detektor und den Gas-Kanal ohne Bauteil-Zusammenbau-Verfahren miteinbindet.
Verschiedene individuelle Bauteile können durch fortgeschrittene Mikrobearbeitung und/oder photonische Technologien gebildet werden.
Verschiedene Ausführungsformen können eine hohe Einkoppeleffizienz haben, welche durch Gitterkoppler (mit Unterstützung der Reflektoren) erreicht wird. Verschiedene Ausführungsformen können eine große Toleranz haben. Die hohe Einkoppeleffizienz und die große Toleranz können eine hohe Empfindlichkeit und hohe Messauflösungen ermöglichen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Emitter mit einem Gitterkoppler zusammenarbeiten, um eine Licht-„Demultiplexing“-Funktion zu erzielen. Das entbündelte/demultiplexierte Licht kann auf verschiedene optische Pfade geleitet werden.
In verschiedenen Ausführungsformen können sowohl der Emitter als auch der Detektor in einem vakuumdichten Hohlraum angeordnet sein.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Vakuum-Hohlraum den Emitter oder den Detektor vor äußeren Umgebungsschwankungen, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Feuchtigkeit etc. schützen oder abschirmen.
Verschiedene Ausführungsformen können eine hohe Langzeit-Stabilität und - Zuverlässigkeit aufweisen, welche durch vakuumdichte Hohlräume für den Emitter und den Detektor erzielt werden.
Verschiedene Ausführungsformen können einen weniger komplizierten Packaging-Ablauf haben, was zu geringeren Kosten führt.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Isolier-/Vakuum-Hohlraum dazu beitragen, die Detektivität und Effizienz des Detektors zu verbessern aufgrund eines geringeren Wärmeverlusts an die Umgebung.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Isolier-/Vakuum-Hohlraum den Emitter und/oder den Detektor schützen oder abschirmen vor Beeinträchtigung durch die chemische Substanz oder den Analyten, z.B. wie vor chemischer Erosion. Nur der Abschnitt der Wellenleiter innerhalb des Messfensters, d.h. die exponierten Messabschnitte, können der chemischen Substanz oder dem Analyten ausgesetzt sein. Der Emitter-Hohlraum und der Detektor-Hohlraum können von den exponierten Messabschnitten physisch isoliert sein. Die Mess-Wellenleiter oder -Kanäle können die Lichtausbreitung mit einem geringem optischen Ausbreitungsverlust unterstützen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Isolier-Hohlraum oder der vakuumdichte Hohlraum den Emitter und/oder den Detektor schützen oder abschirmen vor äußeren Umgebungsänderungen, einschließlich Temperatur, Druck, Feuchtigkeit etc.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Isolier-Hohlraum oder der vakuumdichte Hohlraum dazu beitragen, dass der Emitter und/oder der Detektor eine langfristige Stabilität und Zuverlässigkeit erreicht/erreichen.
In verschiedenen Ausführungsformen können die Isolier-Hohlräume oder die vakuumdichten Hohlräume gemeinsam mit den Gitterkopplern eine verbesserte Einkoppel- und Detektionseffizienz ermöglichen.
Vakuum-Verklebung- und/oder Dünnfilm-Verkapselung-Technologien können eine miniaturisierte Systemintegration auf Wafer-Ebene ermöglichen, ohne dabei an Leistung eines jeden Bauteils einzubüßen.
Verschiedene Ausführungsformen können für Unterhaltungselektronik verwendet werden, wie beispielsweise Heimgeräte, tragbare Elektronik, Mobiltelefone etc. Verschiedene Ausführungsformen können verwendet werden für eine Innenraum- oder Fahrerhaus-Luftqualität-Überwachung, wie beispielsweise die Erkennung von Kohlenstoffdioxid (CO₂). Verschiedene Ausführungsformen können bei Industrielle-Sicherheit-Anwendungen verwendet werden, wie beispielsweise bei der Überwachung von Schwefelwasserstoff (H₂S), Kohlenstoffmonoxid und anderen Kohlenstoffwasserstoffgasen. Verschiedene Ausführungsformen können verwendet werden bei der Emissionsüberwachung und bei Steuersystemen für die Automobilindustrie. Verschiedene Ausführungsformen können umweltbezogene Anwendungen haben, wie beispielsweise die Überwachung der Luftqualität und/oder - verschmutzung.
Verschiedene Ausführungsformen können verwendet werden für die Gasmessung als ein Maß für die Innenraum-Luftqualität (IAQ). Verschiedene Ausführungsformen können verwendet werden bei der Verfahrenssteuerung in der Lebensmittelindustrie oder der Verfahrensindustrie. Verschiedene Ausführungsformen können verwendet werden, um einen Gasaustritt in der chemischen Verfahrensindustrie oder der Energieindustrie zu detektieren.
Die Vorteile verschiedener Ausführungsformen können unter anderem sein: miniaturisiert zu sein, hohe Einkoppeleffizienz (erzielt durch das Verwenden von einer zu den Gitterkopplern und den Reflektoren passenden Bauweise für den Emitter und den Detektor), geringeres Rauschen und hohe Stabilität (erzielt über den Isolier-Hohlraum mittels Packaging-Technologie, z.B. vakuumdichter Dünnschicht-Verkapselung etc.) und die Vorteile im Zusammenhang mit dem Wärmemanagement aufgrund der Vakuum-Hohlräume.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis verbessert werden durch Verwenden eines Referenz-Kanals bei der Chemikalie- oder Gas-Detektion, um das durch die Lichtquelle induzierte Rauschen zu reduzieren. Im Allgemeinen kann ein Referenz-Kanal auch hilfreich sein im Hinblick auf die Kompensation des Einflusses/der Beeinträchtigung, welche/r verursacht wird von Umgebungsfaktoren, einschließlich Temperatur, und anderen Nicht-Zielgruppe-Arten.
Wie oben hervorgehoben, kann der Isolier-Hohlraum, z.B. ein vakuumdichter Hohlraum, unnötige Umweltstöreinflüsse, z.B. Temperatur, Druck, Feuchtigkeit, etc., und Erosion isolieren, und dadurch die Lebensdauer, Stabilität, Zuverlässigkeit und Detektionsgenauigkeit des Systems verbessern.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das Gas oder die chemische Substanz mit Licht auf einer Chip-Ebene effizienter interagieren.
Der Isolier-Hohlraum kann zu einer verbesserten (Detektor-)Detektivität und - Effizienz führen aufgrund geringerer thermischer Verteilung in die Umgebung.
Das Temperatur-Kompensation-Design kann die Systemgenauigkeit verbessern.
Verschiedene Ausführungsformen können die Empfindlichkeit verbessern. Alle Vorgänge können in dem Wellenleiter ausgeführt werden.
Zwar wurde die Erfindung insbesondere in Bezug auf bestimmte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben, doch soll vom Fachmann verstanden sein, dass verschiedene Form- und Detailänderungen daran vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Bereich der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert, abzuweichen. Der Bereich der Erfindung wird folglich durch die beigefügten Ansprüche angegeben, und alle Änderungen, welche in den Sinngehalt und den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, sind daher vorgesehen, miteingeschlossen zu sein.

Claims

Chemischer Sensor (200, 400, 500, 600), aufweisend: einen ersten Wafer (502a), welcher einen ersten Hohlraum (204, 404, 504, 604) und einen zweiten Hohlraum (206, 406, 506, 606) aufweist, einen zweiten Wafer (502b), welcher mit dem ersten Wafer (502a) verbunden ist, so dass ein erster abgedichteter Hohlraum (204, 404, 504, 604) gebildet ist durch das Abdichten des ersten Hohlraums (204, 404, 504, 604), und wobei ein zweiter abgedichteter Hohlraum (206, 406, 506, 606) gebildet ist, durch das Abdichten des zweiten Hohlraums (206, 406, 506, 606), wobei der zweite abgedichtete Hohlraum (206, 406, 506, 606) von dem ersten abgedichteten Hohlraum (204, 404, 504, 604) getrennt ist, einen Emitter (208, 408, 508, 608) in dem ersten abgedichteten Hohlraum (204, 404, 504, 604), wobei der Emitter (208, 408, 508, 608) konfiguriert ist, um Infrarotlicht zu emittieren, einen Detektor (210, 410, 510, 610) in dem zweiten abgedichteten Hohlraum (206, 406, 506, 606), und wobei der zweite Wafer (502b) einen Wellenleiter (212, 412, 512, 612) aufweist, welcher konfiguriert ist, um das Infrarotlicht von dem Emitter (208, 408, 508, 608) zu dem Detektor (210, 410, 510, 610) zu leiten, wobei der zweite Wafer (502b) ferner aufweist: einen ersten Gitterkoppler (414, 614), welcher konfiguriert ist, um das Infrarotlicht von dem Emitter (208, 408, 508, 608) in den Wellenleiter (212, 412, 512, 612) einzukoppeln, und einen zweiten Gitterkoppler (416, 616), welcher konfiguriert ist, um das Infrarotlicht von dem Wellenleiter (212, 412, 512, 612) in den Detektor (210, 410, 510, 610) einzukoppeln, wobei der Wellenleiter (212, 412, 512, 612) einen Messabschnitt aufweist, welcher derart konfiguriert ist, dass sich eine Eigenschaft des Infrarotlichts, welches durch den Messabschnitt geleitet wird, verändert als Reaktion auf eine chemische Substanz, welche sich in Kontakt mit dem Messabschnitt befindet, und wobei der Detektor (210, 410, 510, 610) konfiguriert ist, um die Eigenschaftsveränderung zu detektieren.
Chemischer Sensor (200, 400, 500, 600) gemäß Anspruch 1, wobei der erste abgedichtete Hohlraum (204, 404, 504, 604) ein vakuumdichter Hohlraum ist, und wobei der zweite abgedichtete Hohlraum (206, 406, 506, 606) ein weiterer vakuumdichter Hohlraum ist.
Chemischer Sensor (200, 400, 500, 600) gemäß Anspruch 1, wobei der Messabschnitt exponiert ist, um es der Chemikalie zu ermöglichen, in Kontakt mit dem Messabschnitt zu kommen.
Chemischer Sensor (200, 400, 500, 600) gemäß Anspruch 3, ferner aufweisend: eine Ummantelung, um einen übriggebliebenen Abschnitt des Wellenleiters (212, 412, 512, 612) abzudecken.
Chemischer Sensor (200, 400, 500, 600) gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend: einen ersten Reflektor (418, 618), welcher konfiguriert ist, um das Infrarotlicht von dem ersten Gitterkoppler (414, 614) zu dem Wellenleiter (212, 412, 512, 612) zu leiten, und einen zweiten Reflektor (420, 620), welcher konfiguriert ist, um das Infrarotlicht von dem Wellenleiter (212, 412, 512, 612) zu dem zweiten Gitterkoppler (416, 616) zu leiten.
Chemischer Sensor (200, 400, 500, 600) gemäß Anspruch 1, wobei der Emitter (208, 408, 508, 608) in dem ersten abgedichteten Hohlraum (204, 404, 504, 604) aufgehängt ist, und wobei der Detektor (210, 410, 510, 610) in dem zweiten abgedichteten Hohlraum (206, 406, 506, 606) aufgehängt ist.
Chemischer Sensor (200, 400, 500, 600) gemäß Anspruch 1, wobei der erste Wafer (502a) mit dem zweiten Wafer (502b) vakuumverklebt ist.
Chemischer Sensor (200, 400, 500, 600) gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend: einen weiteren Detektor (210, 410, 510, 610) in dem zweiten abgedichteten Hohlraum (206, 406, 506, 606), einen weiteren Wellenleiter, welcher konfiguriert ist, um Infrarotlicht von dem Emitter (208, 408, 508, 608) zu dem weiteren Detektor (210, 410, 510, 610) zu leiten, wobei der weitere Wellenleiter konfiguriert ist, um als Referenz zu agieren.
Chemischer Sensor (200, 400, 500, 600) gemäß Anspruch 8, ferner aufweisend: eine Ummantelung, um den weiteren Wellenleiter vollständig abzudecken.
Verfahren zum Bilden eines chemischen Sensors (200, 400, 500, 600), wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines ersten Wafers (502a), welcher einen ersten Hohlraum (204, 404, 504, 604) und einen zweiten Hohlraum (206, 406, 506, 606) aufweist, Verbinden eines zweiten Wafers (502b) mit dem ersten Wafer (502a), so dass ein erster versiegelter Hohlraum (204, 404, 504, 604) gebildet wird durch das Abdichten des ersten Hohlraums (204, 404, 504, 604) und ein zweiter abgedichteter Hohlraum (206, 406, 506, 606) gebildet wird durch das Abdichten des zweiten Hohlraums (206, 406, 506, 606), wobei der zweite abgedichtete Hohlraum (206, 406, 506, 606) von dem ersten abgedichteten Hohlraum (204, 404, 504, 604) getrennt ist, Bereitstellen eines Emitters (208, 408, 508, 608) in dem ersten abgedichteten Hohlraum (204, 404, 504, 604), wobei der Emitter (208, 408, 508, 608) konfiguriert ist, um Infrarotlicht zu emittieren. Bereitstellen eines Detektors (210, 410, 510, 610) in dem zweiten abgedichteten Hohlraum (206, 406, 506, 606), Bilden eines Wellenleiters (212, 412, 512, 612) in dem zweiten Wafer (502b), wobei der Wellenleiter (212, 412, 512, 612) konfiguriert ist, um das Infrarotlicht von dem Emitter (208, 408, 508, 608) zu dem Detektor (210, 410, 510, 610) zu leiten, Bilden eines ersten Gitterkopplers (414, 614) in dem zweiten Wafer (502b), wobei der erste Gitterkoppler (414, 614) konfiguriert ist, um das Infrarotlicht von dem Emitter (208, 408, 508, 608) in den Wellenleiter (212, 412, 512, 612) einzukoppeln, und Bilden eines zweiten Gitterkopplers (416, 616) in dem zweiten Wafer (502b), wobei der zweite Gitterkoppler (416, 616) konfiguriert ist, um das Infrarotlicht von dem Wellenleiter (212, 412, 512, 612) in den Detektor (210, 410, 510, 610) einzukoppeln, wobei der Wellenleiter (212, 412, 512, 612) einen Messabschnitt aufweist, welcher derart konfiguriert ist, dass sich eine Eigenschaft des Infrarotlichts, welches durch den Messabschnitt geleitet wird, verändert in Reaktion auf eine Chemikalie, welche sich in Kontakt mit dem Messabschnitt befindet, und wobei der Detektor (210, 410, 510, 610) konfiguriert ist, um die Eigenschaftsveränderung zu detektieren.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei der erste Wafer (502a) mit dem zweiten Wafer (502b) vakuumverklebt ist.