DE202020005879U1

DE202020005879U1 - Integrierter Partikelsensor mit Hohlraum

Info

Publication number: DE202020005879U1
Application number: DE202020005879.3U
Authority: DE
Original assignee: Sensirion AG
Current assignee: Sensirion AG
Priority date: 2020-04-23
Filing date: 2020-11-13
Publication date: 2023-02-09
Anticipated expiration: 2030-11-14
Also published as: EP3901612A1; US11761876B2; JP2023522929A; EP4139651A1; US20230080848A1; KR20230004694A; WO2021213692A1; CN115516289A

Abstract

Partikelsensor, aufweisend:
- ein Substrat mit einem Halbleiterchip (4), wobei das Substrat einen Hohlraum (5) bildet und mindestens ein Teil des Hohlraums (5) in dem Halbleiterchip (4) ausgebildet ist;
- mindestens einen Photodetektor (3), der in eine Oberfläche des Halbleiterchips (4) integriert ist;
- eine Lichtquelle (1), die in dem Hohlraum (5) angeordnet ist, wobei die Lichtquelle (1) dazu ausgebildet ist, einen Lichtstrahl (7) in Richtung eines ersten Endes des Hohlraums (5) zu emittieren, wobei der Lichtstrahl ein Detektionsvolumen (8) für partikelförmige Materie (9) außerhalb des Hohlraums (5) definiert, wobei die Oberfläche des Halbleiterchips (4), in die der mindestens eine Photodetektor (3) integriert ist, zum Detektionsvolumen (8) hin weist, und wobei der mindestens eine Photodetektor (3) dazu ausgebildet ist, Licht (10) zu detektieren, das von partikelförmiger Materie (9) im Detektionsvolumen (8) gestreut wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft einen Partikelsensor und ein Partikelsensormodul, das den Partikelsensor enthält.
STAND DER TECHNIK
Der Begriff „partikelförmige Materie (PM)“ bezeichnet feste Partikel und/oder Flüssigkeitströpfchen in einem Fluid. PM können ein Gesundheitsrisiko darstellen, z.B. wenn sie eingeatmet werden, oder können schlechte Sicht, den sogenannten Dunst, verursachen. Typische Kategorien von partikelförmiger Materie sind PM10 und PM2,5, d.h. Partikel mit einem Durchmesser von 10 µm bzw. 2,5 µm und kleiner.
Herkömmliche PM-Sensormodule enthalten eine Lichtquelle, die Licht in ein Detektionsvolumen aussendet, und einen Lichtdetektor, der das von den Partikeln im Detektionsvolumen gestreute Licht erfasst. Herkömmliche PM-Sensormodule sind aus diskreten Komponenten aufgebaut, d.h. aus Lichtquellenbaugruppen mit Laserdioden, optischen Elementen, Photodetektoren, Leiterplatten (PCB), diskreten Verstärkern, Mikroprozessoren und Gehäusen usw. Der Luftstrom für die Probenahme von Partikeln wird mit einem Gebläse oder alternativ mit einem Heizelement erzeugt. Beispiele sind z.B. in WO2018100209A2 offenbart.
Solche PM-Sensormodule sind makroskopisch groß, d.h. sie haben Abmessungen in der Größenordnung von mehreren Zentimetern. Ein Grund für den Formfaktor und die Größe herkömmlicher PM-Sensormodule ist die diskrete Natur der verwendeten optoelektronischen Komponenten, d.h. Laserdiode, optisches Element, Montagehilfe und Photodetektor.
US20150153275A1 offenbart einen PM-Sensor, der eine Lichtquelle und einen Lichtdetektor umfasst, die nebeneinander in einem Bauteilbereich angeordnet sind. Die Lichtquelle emittiert Licht in Richtung Luft, die in den Bauteilbereich eingeleitet wurde. Eine an der Lichtquelle angeordnete optische Linse fokussiert das emittierte Licht. Das gestreute Licht wird von dem Lichtdetektor erfasst.
US20160025628A1 offenbart ein mobiles Gerät, das dazu ausgebildet ist, partikelförmige Materie zu detektieren. Ein Sensor in dem mobilen Gerät umfasst einen Lichtsender und einen Lichtempfänger, die in einem Winkel zueinander angeordnet sind.
CN106483051B offenbart ein mobiles Gerät zur Messung der Konzentration von partikelförmiger Materie. Von einem Blitz des mobilen Geräts wird Licht ausgestrahlt. Das zurückgestreute Licht wird von einer Sammellinse aufgefangen, gefiltert und von einem Lichtdetektor erfasst.
Eine Aufgabe, die durch Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gelöst werden soll, besteht darin, einen kleinen PM-Sensor bereitzustellen, der insbesondere zuverlässige Messungen hoher Qualität liefert.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird durch einen Partikelsensor nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Dementsprechend wird ein Partikelsensor bereitgestellt, der Folgendes umfasst:

- ein Substrat mit einem Halbleiterchip, wobei das Substrat einen Hohlraum bildet und mindestens ein Teil des Hohlraums in dem Halbleiterchip ausgebildet ist;
- mindestens einen in eine Oberfläche des Halbleiterchips integrierten Photodetektor; und
- eine Lichtquelle, die in dem Hohlraum angeordnet ist, wobei die Lichtquelle dazu ausgebildet, einen Lichtstrahl in Richtung eines Endes des Hohlraums (im Folgenden als „erstes“ Ende bezeichnet) auszusenden, wobei der Lichtstrahl ein Detektionsvolumen für partikelförmige Materie außerhalb des Hohlraums definiert,

Durch die Bereitstellung eines Hohlraums, der zumindest teilweise in demselben Halbleiterchip ausgebildet ist, in dem auch der mindestens eine Photodetektor integriert ist, und die Anordnung der Lichtquelle in dem Hohlraum kann ein sehr kompakter PM-Sensor erzielt werden.
Das Detektionsvolumen umfasst einen Teil des Lichtstrahls, in dem die Lichtintensität ausreichend hoch ist, um die Detektion von Licht, das von PM im Lichtstrahl gestreut wurde, durch den mindestens einen Photodetektor zu ermöglichen. Insbesondere kann das Detektionsvolumen als das Volumen definiert werden, für das in diesem Volumen vorhandene PM ein deutliches (d.h. statistisch signifikantes) Signal oberhalb des Rauschpegels im PM-Sensor verursacht. Das Detektionsvolumen hängt von verschiedenen Faktoren ab, z.B. von der Größe der PM, der optischen Leistung der Lichtquelle, der Geometrie des Lichtstrahls usw.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Halbleiterchip einen CMOS-Schichtstapel. Eine oder mehrere Schichten des CMOS-Schichtstapels können dann eine Membran bilden, die den Hohlraum an seinem ersten Ende überspannt. Die Dicke der Membran kann weniger als 20 µm, insbesondere weniger als 10 µm betragen. Die Membran kann somit die Lichtquelle schützen. Insbesondere kann der Hohlraum an seinem ersten Ende durch die Membran vollständig verschlossen werden, so dass der Hohlraum an seinem ersten Ende fluiddicht ist.
In einigen Ausführungsformen kann der Partikelsensor ein optisches Element umfassen, das den Hohlraum am ersten Ende begrenzt, wobei das optische Element so konfiguriert ist, dass es den Lichtstrahl formt, um das Detektionsvolumen zu bilden. In anderen Ausführungsformen kann das optische Element weggelassen werden. Beispielsweise kann die Lichtquelle selbst so konfiguriert sein, dass sie einen ausreichend kollimierten oder fokussierten Lichtstrahl erzeugt, so dass der Lichtstrahl außerhalb des Hohlraums eine ausreichende Intensität aufweist, um das Detektionsvolumen zu bilden. In einigen Ausführungsformen umfasst das optische Element eine Membran, die aus einer oder mehreren Schichten des CMOS-Schichtstapels besteht. In anderen Ausführungsformen ist der Hohlraum am ersten Ende offen, und das optische Element ist auf dem offenen ersten Ende des Hohlraums angeordnet.
Der Hohlraum ist vorzugsweise an einem zweiten Ende, das dem ersten Ende gegenüberliegt, offen. Die Lichtquelle ist vorzugsweise im Hohlraum am zweiten Ende des Hohlraums angeordnet.
In einigen Ausführungsformen kann das Substrat vollständig durch den Halbleiterchip gebildet sein, d.h., das Substrat kann allein aus dem Halbleiterchip bestehen. In anderen Ausführungsformen kann das Substrat einen Abstandshalter umfassen, mit dem der Halbleiterchip verbunden ist, wie weiter unten beschrieben.
Wenn das Substrat nur aus dem Halbleiterchip besteht und ein optisches Element vorhanden ist, kann der Partikelsensor folgende Merkmale aufweisen:

- einen Halbleiterchip, wobei der Halbleiterchip einen Hohlraum bildet;
- mindestens einen in eine Oberfläche des Halbleiterchips integrierten Photodetektor;
- eine Lichtquelle, die in dem Hohlraum angeordnet ist, wobei die Lichtquelle dazu ausgebildet ist, einen Lichtstrahl auszusenden,
- ein optisches Element, das den Hohlraum an einem Ende (dem „ersten“ Ende) begrenzt;

Vorteilhafte Ausführungsformen des PM-Sensors werden im Folgenden erläutert. Der PM-Sensor besteht im Allgemeinen aus den folgenden Elementen:

- Ein Substrat, das einen Hohlraum bildet: Das Substrat umfasst einen Halbleiterchip oder besteht aus einem Halbleiterchip, vorteilhafterweise ein Halbleiterchip mit einem komplementären Metall-Oxid-Halbleiter-Schichtstapel (CMOS-Schichtstapel). Dementsprechend ist die PM-Sensorfunktion vorzugsweise in den Halbleiterchip integriert. Der Hohlraum hat Seitenwände, die durch das Substrat gebildet werden. Zumindest ein Teil jeder Seitenwand wird durch den Halbleiterchip gebildet. Der Hohlraum kann im Wesentlichen die Form eines Quaders haben, z.B. mit einer Kantenlänge im Bereich zwischen 0,3 mm und 1 mm, oder er kann die Form eines Zylinders haben, z.B. mit einem Durchmesser im Bereich zwischen 0,3 mm und 1 mm. In anderen Ausführungsformen kann der Hohlraum die Form eines Kegelstumpfs oder eines Pyramidenstumpfs haben. Allgemeiner ausgedrückt, kann jede Seitenwand des Hohlraums mindestens einen geneigten Abschnitt aufweisen, der relativ zur optischen Achse oder zu einer Symmetrieachse des Hohlraums geneigt ist. Zumindest ein Teil des Hohlraums kann z.B. durch Ätzen des Halbleiterchips, vorzugsweise von der Unterseite des Substrats her, oder durch alternative Bearbeitungsverfahren hergestellt werden. In einigen Ausführungsformen kann sich der Hohlraum durch die gesamte Dicke des Halbleiterchips hindurch erstrecken, während sich in anderen Ausführungsformen der Hohlraum nicht durch die gesamte Dicke des Halbleiterchips erstreckt, sondern die Form einer Aussparung annimmt, die durch einen restlichen Teil des Halbleiterchips begrenzt ist, typischerweise durch eine Membran, die durch eine oder mehrere Schichten des CMOS-Schichtstapels gebildet wird.

- Eine Lichtquelle, die dazu ausgebildet ist, einen Lichtstrahl auszusenden. Die Lichtquelle ist in dem Hohlraum angeordnet. In vorteilhaften Ausführungsformen ist die Lichtquelle eine Laserdiode, z.B. ein oberflächenemittierender Laser mit vertikaler Kavität (engl. vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL). Der Begriff „Licht“ ist nicht auf das sichtbare Licht beschränkt, sondern umfasst auch mindestens ultraviolettes und infrarotes Licht. In der Regel liegt die Wellenlänge des emittierten Lichts im Bereich von 500 nm bis 1100 nm, insbesondere zwischen 640 nm und 950 nm. Die Lichtquelle sendet einen Lichtstrahl in Richtung des ersten Endes des Hohlraums aus. Sie kann am zweiten Ende des Hohlraums angeordnet sein.
- Optional ein optisches Element, das den Hohlraum am ersten Ende begrenzt: Typischerweise ist das optische Element an dem der Lichtquelle gegenüberliegenden Ende des Hohlraums angeordnet. Die Lichtquelle ist in dem Hohlraum angeordnet, um den Lichtstrahl durch mindestens einen Teil des Hohlraums hindurch auf das optische Element zu richten. Das optische Element ist dazu ausgebildet, den Lichtstrahl zu formen, wodurch es das Detektionsvolumen definiert. In einer vorteilhaften Ausführungsform fokussiert das optische Element den Lichtstrahl, wie weiter unten näher erläutert wird.
- Mindestens ein in das Substrat integrierter Photodetektor: Der mindestens eine Photodetektor ist in eine Oberfläche des Halbleiterchips integriert. Der mindestens eine Photodetektor kann mindestens eine Photodiode umfassen. Er kann durch ein CMOS-Verfahren im Halbleiterchip gebildet werden. Der mindestens eine Photodetektor ist dem Detektionsvolumen zugewandt und ist dazu ausgebildet, das von PM im Detektionsvolumen gestreute Licht zu detektieren. Insbesondere ist der mindestens eine Photodetektor in einem Abstand von höchstens 2 mm zum optischen Element (gemessen von Kante zu Kante) und insbesondere benachbart zum optischen Element angeordnet. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn das optische Element mit einer Toleranz von +1 mm/- 0,1 mm in einer Ebene angeordnet ist, die durch den mindestens einen Photodetektor definiert ist, genauer gesagt in einer Ebene, die durch die Oberfläche des Halbleiterchips definiert ist, in die der mindestens eine Photodetektor integriert ist, wie weiter unten noch näher erläutert wird.

Ein solcher PM-Sensor kann mit einem kleinen Formfaktor gebaut werden, d.h. kleiner als 7 mm x 7 mm x 2 mm, insbesondere kleiner als 5 mm x 5 mm x 1,6 mm. Er kann auch in ein PM-Sensormodul oder ein tragbares elektronisches Gerät wie ein Smartphone oder ein Internet-of-Things (loT)-Gerät integriert werden. Darüber hinaus hat ein solcher PM-Sensor den Vorteil, dass er wenig Strom verbraucht, was ihn wiederum für die Integration in batteriebetriebene Geräte gut geeignet macht.
In einigen vorteilhaften Ausführungsformen umfasst der PM-Sensor außerdem:

- eine Steuereinheit, die elektrisch mit dem mindestens einen Photodetektor verbunden ist: Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, Signale von dem mindestens einen Photodetektor zu empfangen, die durch Licht verursacht werden, das von PM im Detektionsvolumen gestreut wurde. Sie ist ferner dazu ausgebildet, die Signale in Bezug auf eine physikalische Größe auszuwerten, die sich auf die Partikel bezieht, d.h. sie kann auf der Grundlage der Signale eine physikalische Größe bestimmen, die sich auf die partikelförmige Materie bezieht. Die physikalische Größe kann insbesondere eine Anzahlkonzentration, eine Größe der PM und/oder eine Größenverteilung der PM umfassen. Vorteilhafterweise kann zumindest ein Teil der Steuereinheit in den Halbleiterchip integriert sein. Insbesondere kann zumindest ein Teil der Steuereinheit in dem CMOS-Schichtstapel ausgebildet sein. Insbesondere kann zumindest ein Teil der Steuereinheit ein ASIC sein, der in dem CMOS-Schichtstapel ausgebildet ist. Die Steuereinheit kann vollständig im Halbleiterchip implementiert sein, oder ein Teil der Steuereinheit kann separat vom Halbleiterchip implementiert sein, z.B. in einem separaten Signalprozessor oder einer Recheneinheit.

Weitere vorteilhafte technische Merkmale werden aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich. Für den Fachmann ist es offensichtlich, dass diese Merkmale auf verschiedene Weise kombiniert werden können, um Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
Lichtquelle
Die Menge an Licht, die von PM im Detektionsvolumen gestreut und von dem mindestens einen Photodetektor empfangen wird, hängt unter anderem von der optischen Leistung der Lichtquelle ab. Daher ist es von Interesse, die optische Leistung zu quantifizieren. Die folgenden Ausführungen sind besonders vorteilhaft, wenn die Lichtquelle aus einem VCSEL besteht, da die optische Leistung von VCSELs in der Regel nicht geregelt wird, da eine genaue optische Leistung für Anwendungen wie Flugzeitmessungen (TOF) irrelevant ist.
Zur Quantifizierung der optischen Leistung der Lichtquelle kann der PM-Sensor einen lichtempfindlichen Hilfsdetektor umfassen, der so angeordnet ist, dass er Licht empfängt, das von der Lichtquelle emittiert wurde, ohne von PM gestreut worden zu sein. Der Hilfsdetektor kann in den Halbleiterchip integriert sein. Er kann mit der gleichen Technologie hergestellt werden wie der mindestens eine Photodetektor, der zur Erfassung des von PM gestreuten Lichts verwendet wird. Bei dem Hilfsdetektor kann es sich insbesondere um eine Photodiode handeln, die in einem CMOS-Verfahren hergestellt wurde. Der Hilfsdetektor kann eine Oberfläche in der Photodetektorebene haben, die deutlich kleiner ist als die Gesamtoberfläche der Photodetektoren, die zur Erfassung des von PM gestreuten Lichts verwendet werden, beispielsweise nicht mehr als 1 % der letzteren Oberfläche, wodurch sichergestellt wird, dass das Signal des Hilfsdetektors nicht wesentlich durch das von PM gestreute Licht beeinflusst wird und die Empfindlichkeit gegenüber Umgebungslicht minimiert wird.
Ist der Hilfsdetektor in den Halbleiterchip integriert, wobei der Chip einen CMOS-Schichtstapel enthält, gibt es mindestens drei verschiedene mögliche Lichtwege zwischen der Lichtquelle und dem Hilfsdetektor. Ein erster Lichtweg führt durch den Halbleiterchip. Obwohl Licht durch Halbleiter wie Silizium stark gedämpft werden kann, ist die Eindringtiefe des Lichts im Allgemeinen nicht vernachlässigbar klein. Wenn der Hilfsdetektor im Halbleiterchip ausreichend nahe an einer Wand des Hohlraums angeordnet ist (z.B. in einem seitlichen Abstand von nicht mehr als 200 µm), kann eine ausreichende Lichtmenge den Hilfsdetektor durch den Halbleiterchip hindurch erreichen. Ein zweiter Lichtweg verläuft durch den CMOS-Schichtstapel, der als Lichtleiter wirken kann. Streulicht kann auf diese Weise seitlich zum Hilfsdetektor geleitet werden. Ein dritter Lichtweg führt durch das optische Element, sofern vorhanden. Streulicht, das innerhalb des optischen Elements oder an dessen Oberflächen gestreut wurde, kann auf diese Weise den Hilfsdetektor erreichen. Je nach Ausführung können einer oder mehrere dieser Lichtwege aktiv sein.
Dementsprechend ist in einer ersten Ausführungsform der Hilfsdetektor, insbesondere in Form einer Photodiode, angrenzend an das optische Element angeordnet. Auf diese Weise kann der Hilfsdetektor Streulicht von dem optischen Element empfangen. Der Hilfsdetektor kann in dem Hohlraum, z.B. an einer dem optischen Element zugewandten Wand des Hohlraums, angeordnet sein. Durch die Integration des Hilfsdetektors in den Halbleiterchip wird der Herstellungsprozess vereinfacht, z.B. dadurch, dass der lichtempfindliche Hilfsdetektor während eines normalen CMOS-Prozesses gebildet wird.
Der Hilfsdetektor ist dazu ausgebildet, das Streulicht des optischen Elements zu messen, d.h. das Licht, das das optische Element nicht in Richtung des Detektionsvolumens verlässt, sondern das in andere Richtungen, z.B. nach hinten, reflektiert oder gestreut wird. Es hat sich gezeigt, dass die Menge des Streulichts ein Indikator für die optische Leistung der Lichtquelle ist, insbesondere proportional zu dieser. Daher ist die Steuereinheit außerdem elektrisch mit dem Hilfsdetektor verbunden und dazu ausgebildet, aus dem Streulicht eine optische Leistung der Lichtquelle zu bestimmen und in Abhängigkeit von der ermittelten optischen Leistung die auf die PM bezogene physikalische Größe auszuwerten. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, die Lichtquelle in Abhängigkeit von der ermittelten optischen Leistung zu steuern.
In einer zweiten Ausführungsform ist der Hilfsdetektor, insbesondere die Photodiode, in oder neben dem Hohlraum angeordnet und dazu ausgebildet, spontane Emission der Lichtquelle zu messen. Dies kann besonders relevant sein, wenn die Lichtquelle ein VCSEL ist. Es wurde festgestellt, dass VCSELs spontane Lichtemission an einer oder mehreren Seitenwänden aufweisen, d.h. an einer oder mehreren Wänden, die nicht die Hauptemissionsfläche des VCSELs sind. Ferner wurde festgestellt, dass die Menge der spontanen Emission wiederum ein Indikator für die optische Leistung der Lichtquelle ist, insbesondere proportional zu dieser. Daher ist die Steuereinheit außerdem elektrisch mit der Photodiode verbunden und dazu eingerichtet, aus der gemessenen spontanen Emission eine optische Leistung der Lichtquelle zu bestimmen und die auf die PM bezogene physikalische Größe in Abhängigkeit von der bestimmten optischen Leistung auszuwerten. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, die Lichtquelle in Abhängigkeit von der ermittelten optischen Leistung zu steuern. Auch hier ist die Photodiode vorteilhaft in das Substrat integriert.
Die beschriebenen Ausführungsformen ermöglichen genauere Messungen der physikalischen Größe, die mit der PM zusammenhängt, insbesondere für den Fall, dass die optische Leistung der Lichtquelle nicht bekannt ist, wie z.B. bei einem VCSEL.
Optisches Element
Im Allgemeinen ist der beschriebene PM-Sensor für ein großes Detektionsvolumen optimiert, da die PM-Zahl direkt proportional zum Detektionsvolumen ist, wie oben definiert. Wie oben erläutert, muss ein PM-Partikel genügend Streulicht in Richtung des mindestens einen Photodetektors erzeugen, so dass ein Signal aus dem Streulicht, das von dem mindestens einen Photodetektor detektiert wird, über dem Rauschpegel liegt, z.B. dem Dunkelstromrauschen. Das Volumen, für das diese Bedingung erfüllt ist, wird als Detektionsvolumen bezeichnet. Das von PM gestreute Licht kann näherungsweise durch die Mie-Theorie beschrieben werden. Um die Optimierung des Detektionsvolumens zu erklären, kann eine weitere Näherung hilfreich sein: Offensichtlich wird das Detektionsvolumen u.a. durch geometrische Effekte begrenzt, z.B. durch die Ausbreitung des von einer Punktquelle emittierten oder von einem Partikel gestreuten Lichts. Die Ausbreitung bewirkt, dass die Intensität des Lichts mit der Entfernung d von der Punktquelle bzw. dem Streupartikel mit 1/d^2 abnimmt, was einer zunehmenden Oberfläche einer ausgehenden Kugelwelle entspricht. Dies hat Auswirkungen auf die Konstruktion des PM-Sensors im Allgemeinen und des optischen Elements im Besonderen.
Das optische Element definiert im Allgemeinen eine optische Achse. Die optische Achse verläuft vorzugsweise senkrecht zur Oberfläche des Halbleiterchips, in die der mindestens eine Photodetektor integriert ist. In einer vorteilhaften Ausführungsform fokussiert das optische Element den Lichtstrahl, z.B. in einem Fokus oder einem Fokusbereich. Dementsprechend nimmt die Intensität des Lichtstrahls entlang der optischen Achse mit dem Abstand I vom optischen Element bis zum Fokus als I^2 zu, was der abnehmenden Fläche eines konischen Lichtstrahls entspricht. Es ist ersichtlich, dass dieser Effekt der zunehmenden Lichtintensität innerhalb des Detektionsvolumens dem oben beschriebenen Streueffekt des Lichts durch PM-Partikel entgegenwirkt und ihn bis zu einem gewissen Grad ausgleicht. Auf diese Weise wird das Detektionsvolumen für eine bestimmte Lichtquelle und einen bestimmten Photodetektor maximiert.
Insbesondere reicht das Detektionsvolumen entsprechend vom optischen Element mindestens bis zum Fokus des Lichtstrahls. Ein Abstand I₀ zwischen dem optischen Element und dem Fokus kann mindestens 1 mm betragen. Im Allgemeinen hängt ein optimaler Fokusabstand von einem Schwellenwert des mindestens einen Photodetektors zur Auflösung von Partikelstreulicht gegen Rauschen, der optischen Leistung der Lichtquelle und einer numerischen Apertur des optischen Elements ab. Je nach Größe der PM-Partikel kann sich das Detektionsvolumen sogar über den Fokus hinaus erstrecken, z.B. auf das 1,2- oder 1,5-fache I₀ bei großen Partikeln. Auf diese Weise ist der PM-Sensor in der Lage, PM bis zu einem Abstand von mindestens 1,5 mm vom optischen Element zu erfassen.
Alternativ zur Fokussierung kann das optische Element so angepasst werden, dass es den Lichtstrahl kollimiert, d.h. den Lichtstrahl so formt, dass verschiedene Strahlen innerhalb des Lichtstrahls außerhalb des Hohlraums im Wesentlichen parallel sind. In diesem Fall bleibt die Lichtintensität theoretisch entlang des Lichtstrahls konstant, wenn man davon ausgeht, dass es keine Streuung und keine Abschwächung gibt. Auch ein solcher Aufbau mit einem kollimierenden optischen Element anstelle eines fokussierenden optischen Elements kann ein großes Detektionsvolumen ergeben, z.B. bis zu 3 cm vom optischen Element entfernt.
Wiederum im Hinblick auf eine maximale Größe des Detektionsvolumens ist es vorteilhaft, dass das optische Element in der gleichen Ebene wie der mindestens eine Photodetektor liegt (d.h. in der gleichen Ebene wie die Oberfläche des Halbleiterchips, in die der mindestens eine Photodetektor integriert ist) oder nur geringfügig darüber oder darunter, wie zuvor beschrieben. Dementsprechend kann das optische Element in einer Ausführungsform aus der Ebene des mindestens einen Photodetektors herausragen oder in einer anderen Ausführungsform nur geringfügig, z.B. um maximal 0,6 mm. Auch ist es vorteilhaft, dass eine Dicke des optischen Elements senkrecht zum Lichtstrahl gering ist, d.h. unter 2 mm, insbesondere unter 1 mm. Auf diese Weise kann eine Abschattung des mindestens einen Photodetektors durch Licht, das von PM-Partikeln in der Nähe des optischen Elements gestreut wird, durch das optische Element verhindert werden. Mit anderen Worten, das Detektionsvolumen kann in Richtung des optischen Elements oder optimalerweise bis zum optischen Element vergrößert werden.
Gleichzeitig ist es vorteilhaft, dass eine Höhe des Hohlraums, d.h. ein Abstand zwischen Lichtquelle und optischem Element, mindestens 0,25 mm, insbesondere mindestens 0,45 mm beträgt. Dies macht den PM-Sensor robuster gegenüber Herstellungsfehlern, wie z.B. leichten Abweichungen von den optimalen Abmessungen. Zusammen mit den obigen Überlegungen zur Abschattung führt dies zu dem Schluss, dass die Dicke des optischen Elements vorteilhafterweise gering sein sollte.
In einigen Ausführungsformen ist das Substrat auf einem Basissubstrat angeordnet, das z.B. ein Träger aus Glas, Halbleiter, Keramik usw. sein kann. In solchen Ausführungsformen kann der Hohlraum an einem (ersten) Ende durch das optische Element und am anderen (zweiten) Ende durch das Basissubstrat begrenzt sein. Die Lichtquelle kann auf dem Basissubstrat angeordnet sein und Licht in Richtung des optischen Elements emittieren.
Im Allgemeinen kann es sich bei dem optischen Element um ein refraktives (brechendes) optisches Element, insbesondere eine Linse, oder um ein diffraktives (beugendes) optisches Element handeln. Ein refraktives optisches Element formt den Lichtstrahl durch Brechung, während ein diffraktives optisches Element den Lichtstrahl durch Beugung formt. Diese Prinzipien können auch kombiniert werden. In einigen Ausführungsformen umfasst das optische Element eine geprägte Polymerlinse oder eine spritzgegossene Linse.
In einigen Ausführungsformen kann das optische Element ein Glasträgersubstrat und eine optische Struktur, insbesondere eine Polymerlinse, umfassen, die auf dem Glasträgersubstrat ausgebildet ist. Die optische Struktur kann z.B. durch Prägen eines UV-härtbaren Polymers mit einem Stempel und anschließender UV-Härtung oder durch Photolithographie gebildet werden.
In einem Verfahren zur Herstellung einer geprägten Linse wird eine Polymerlinse auf dem Glasträgersubstrat gebildet. Insbesondere können mehrere Polymerlinsen auf dem Glasträgersubstrat gebildet werden. Das Glasträgersubstrat wird dann vereinzelt, um eine einzelne Linseneinheit zu bilden. Die Polymerlinse wird dann zusammen mit dem Glasträgersubstrat in den Hohlraum eingesetzt.
In einer Ausführungsform hat das Glasträgersubstrat eine Dicke von weniger als 1000 µm, z.B. 800 µm, insbesondere weniger als 750 µm oder weniger als 600 µm.
In anderen Ausführungsformen umfasst das optische Element eine Membran, die aus einer oder mehreren Schichten des CMOS-Schichtstapels besteht. Auf der Membran kann eine optische Struktur angeordnet sein, um das optische Element zu bilden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Membran selbst mindestens eine strukturierte CMOS-Schicht enthalten, um das optische Element zu bilden. Die Membran wirkt dann als diffraktives optisches Element, DOE. Insbesondere kann die Membran als Metamaterial wirken, das für den Lichtstrahl transparent ist, wobei das Metamaterial Strukturen umfasst, die den Lichtstrahl wirksam formen. Zur Erzeugung eines solchen DOE wird eine Membran aus dem Substrat hergestellt, z.B. in Form einer dünnen Schicht, z.B. durch Ätzen des Substrats von der Unterseite her fast über die gesamte Dicke des Substrats, so dass die Membran auf der Vorderseite des Substrats verbleibt und den Hohlraum überdeckt. Die Strukturen zur Formung des Lichtstrahls können in einem vorangegangenen Schritt bei der Verarbeitung des CMOS-Schichtstapels erzeugt worden sein, oder sie können in einem nachfolgenden Schritt erzeugt werden, z.B. durch Strukturierung der Membran, z.B. durch Ätzen, oder durch Aufbringen der Strukturen auf die Membran. Vorteilhafterweise beträgt die Dicke der Membran oder des Metamaterials weniger als 20 µm, insbesondere weniger als 10 µm.
Im Allgemeinen ermöglicht ein dünnes optisches Element, wie es in den obigen Ausführungsformen vorgeschlagen wird, eine minimale Abschattung des gestreuten Lichts, wodurch ein großes Detektionsvolumen entsteht. Mit anderen Worten, ein dünnes optisches Element ermöglicht einen minimalen erforderlichen Abstand zwischen dem optischen Element und dem mindestens einen Photodetektor und verhindert gleichzeitig Abschattungen. Außerdem ermöglicht es einen kleinen Gesamtformfaktor des PM-Sensors.
Ein weiterer Aspekt im Zusammenhang mit dem optischen Element betrifft das Streulicht, das das optische Element in andere Richtungen als entlang des gewünschten Lichtstrahls verlässt, z.B. zu den Seiten hin, insbesondere in Richtung des mindestens einen Photodetektors. Wenn solches Streulicht den mindestens einen Photodetektor erreicht, erhöht es den Rauschpegel erheblich und verringert somit das Signal-Rausch-Verhältnis des PM-Sensors, wodurch sich das Detektionsvolumen effektiv verringert.
Um Streulicht vom optischen Element, insbesondere in Richtung des mindestens einen Photodetektors, zu verhindern, umfasst der PM-Sensor vorteilhafterweise eine Lichtbarriere zwischen dem optischen Element und dem mindestens einen Photodetektor.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Lichtbarriere eine Schwärzung oder Versilberung der Seitenwände des optischen Elements, die dem mindestens einen Photodetektor zugewandt sind. Insbesondere kann die Schwärzung oder Versilberung eine selektive Beschichtung umfassen, die nur mit der Trägerglasschicht, nicht aber mit der oben beschriebenen Polymerlinse reagiert. Ein gutes Beispiel ist das Aufbringen einer Verspiegelungsschicht nach dem bekannten Silbernitratverfahren. Der Begriff „Versilberung“ ist als eine reflektierende Beschichtung zu verstehen, die als Lichtbarriere dient, aber nicht unbedingt aus Silber besteht. Es können auch andere Materialien verwendet werden, die den Lichtdurchgang verhindern.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Lichtbarriere eine Blende, die durch eine Beschichtung auf dem optischen Element gebildet wird, wobei die Blende eine Apertur für den Lichtstrahl definiert. Die Blende kann z.B. durch eine Chrombeschichtung auf einem Glasträgersubstrat gebildet werden. Insbesondere bei einer geprägten Polymerlinse auf einem Glasträgersubstrat kann die Blende mit der Apertur vorteilhafterweise auf der Ober- oder Unterseite des Glasträgersubstrats angeordnet sein.
Eine solche Lichtbarriere verhindert, dass Streulicht den mindestens einen Photodetektor erreicht. Gleichzeitig kann der Lichtstrahl das optische Element ungehindert passieren. Auch das Streulicht, das das optische Element in Richtung des Hohlraums verlässt, kann weitgehend unbeeinflusst bleiben, so dass die oben beschriebene Methode zur Quantifizierung der optischen Leistung der Lichtquelle mit solchen Ausführungsformen weiterhin durchführbar ist.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein optisches Element mit einer Lichtbarriere, wie hier beschrieben, zur Verfügung, unabhängig davon, ob das optische Element in einen PM-Sensor integriert ist oder nicht.
Photodetektor
Die folgende Offenbarung bezüglich des einen oder der mehreren Photodetektoren ist in Kombination mit dem PM-Sensor, aber auch außerhalb der Anwendung in einem solchen PM-Sensor, d.h. unabhängig von dem PM-Sensor, zu betrachten, nämlich als eine Photodetektorvorrichtung, die einen in einen Halbleiterchip integrierten Photodetektor umfasst, der eine CMOS-Metallisierung und dielektrische Schichten auf der Oberseite des Halbleiterchips umfassen kann.
Der mindestens eine Photodetektor kann jede Art von Photodetektor sein, es ist jedoch vorteilhaft, dass er ein Photodetektor auf Siliziumbasis ist. Ein solcher Photodetektor kann in denselben Prozessschritten, z.B. in CMOS-Prozessschritten, hergestellt werden wie vorzugsweise die Steuereinheit, die durch eine in das bevorzugte Siliziumsubstrat integrierte elektronische Schaltung dargestellt wird. Solche Photodetektoren sind bei der Herstellung einfacher zu handhaben und kostengünstiger als andere Halbleiter-Photodetektoren. Sie eignen sich daher gut für die Herstellung großer Stückzahlen von PM-Sensoren, z.B. für loT-Geräte.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Partikelsensor eine Vielzahl von Photodetektoren, die in dieselbe Oberfläche des Halbleiterchips integriert sind. Die Photodetektoren können in einem Array angeordnet sein, d.h. die mehreren Photodetektoren können in einem regelmäßigen Muster angeordnet sein. Dies ist sinnvoll, da der mindestens eine Photodetektor eine große Fläche abdecken soll, während gleichzeitig der Abstand zum ersten Ende des Hohlraums, insbesondere zum optischen Element, falls vorhanden, minimiert werden soll. Die Photodetektoren können an verschiedenen Stellen um den Hohlraum oder das optische Element herum angeordnet sein, vorzugsweise auf diametral gegenüberliegenden Seiten des Hohlraums oder des optischen Elements, noch bevorzugter über mehrere Stellen entlang eines Umfangs des Hohlraums oder des optischen Elements verteilt. Insbesondere, wenn die Photodetektoren in einem oder mehreren Arrays angeordnet sind, können das Array oder die Arrays um den Hohlraum oder das optische Element herum verteilt sein. Beispielsweise können vier Photodetektoren in der gleichen Ebene wie das optische Element angeordnet werden.
Jeder Photodetektor kann ein Pixel bilden. Vorzugsweise haben die Photodetektor-Pixel jeweils eine Flächenabmessung von weniger als 1x1 mm², vorzugsweise weniger als 0,5x0,5 mm², und noch bevorzugter weniger als 0,3x0,3 mm². Entsprechende Flächenmaße gelten auch für nicht-quadratische Pixel, wie z.B. kreisförmige Pixel.
Auf diese Weise wird die Ausbeute an Licht, das von PM im Detektionsvolumen gestreut wird und auf die Photodetektoren trifft, maximiert.
Auch hier gelten die geometrischen Überlegungen von oben: Der mindestens eine Photodetektor sollte vorteilhafterweise so nah wie möglich an dem Hohlraum oder dem optischen Element liegen. Auf diese Weise wird die optische Weglänge vom streuenden Partikeln innerhalb des Detektionsvolumens zu dem mindestens einen Photodetektor minimiert und damit das Signal-Rausch-Verhältnis maximiert.
Optional umfasst der PM-Sensor einen optischen Filter auf dem mindestens einen Photodetektor. Das bedeutet, dass der optische Filter eine dem Substrat abgewandte Oberfläche des mindestens einen Photodetektors abdeckt. Der optische Filter kann auf der Oberfläche des Halbleiterchips angeordnet sein, in die der mindestens eine Photodetektor integriert ist. Vorteilhafterweise filtert der optische Filter Licht und Strahlung außerhalb eines dominanten Wellenlängenbandes der Lichtquelle heraus. Auf diese Weise wird eine Hintergrundunterdrückung erreicht, da unerwünschte Licht- oder Strahlungsereignisse den mindestens einen Photodetektor nicht erreichen. Bei dem optischen Filter kann es sich um ein Interferenzfilter handeln, das aus mehreren Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes besteht, um destruktive Interferenzen außerhalb des gewünschten Wellenlängenbandes zu verursachen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Photodetektoren durch ein elektrisch leitendes Material getrennt, das z.B. die Form eines Gitters hat, wobei die Photodetektoren in den Lücken des Gitters angeordnet sind, z.B. in Form von Kacheln oder Pixeln, wie bereits oben dargelegt. Insbesondere können die Photodetektoren durch eine Metallisierung des Substrats getrennt sein. Auf diese Weise kann die Herstellung des elektrisch leitenden Materials in die reguläre Verarbeitung des Halbleiterchips integriert werden, wobei eine oberste Metallisierung des CMOS-Schichtstapels so hergestellt wird, dass sie und insbesondere ihre Trennränder als das elektrisch leitende Material dienen, das die Photodetektoren trennt. Dieses elektrisch leitende Material zwischen den Photodetektoren kann geerdet sein und somit als faradayscher Käfig wirken und kann zum Messvolumen hin freiliegen. Damit das elektrisch leitende Material geerdet werden kann, kann das elektrisch leitende Material mit einem Erdungsanschluss der Sensorvorrichtung verbunden sein. Das elektrisch leitende Material ist insbesondere dazu geeignet, die Photodetektoren vor elektromagnetischen Störungen, z.B. durch andere elektronische Geräte in einer Umgebung des PM-Sensors, zu schützen. Die oben genannten Bereiche der Pixelabmessungen definieren dementsprechend einen Abstand zwischen den Metallisierungen und fördern die Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen.
Zur weiteren Reduzierung elektromagnetischer Störungen ist es vorteilhaft, wenn der mindestens eine Photodetektor in einen ersten Teilbereich, der dem Detektionsvolumen zugewandt ist, und einen zweiten Teilbereich, der gegen das von PM gestreute Licht im Detektionsvolumen abgeschirmt ist, unterteilt ist. Beispielsweise kann der mindestens eine Photodetektor im zweiten Teilbereich durch eine lichtundurchlässige (opake) Schicht abgedeckt sein, die zumindest in einem Wellenlängenbereich, der die dominante Wellenlänge der Lichtquelle enthält, lichtundurchlässig ist. Die lichtundurchlässige Schicht ist vorzugsweise elektrisch isolierend, um sicherzustellen, dass beide Teilbereiche den gleichen elektromagnetischen Störungen ausgesetzt sind. Die lichtundurchlässige Schicht kann beispielsweise durch Tintenstrahldruck hergestellt werden. Die beiden getrennten Teilbereiche können verwendet werden, um in den Photodetektoren Signale zu erfassen und auszulöschen, die nur auf unerwünschte elektromagnetische Störungen, nicht aber auf das von PM im Detektionsvolumen gestreute Licht zurückzuführen sind. Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit eine differentielle Messung zwischen den ersten und der zweiten Teilbereichen durchführen. Dadurch werden insbesondere störende Effekte der elektromagnetischen Interferenz mit dem ersten Teilbereich und dem zweiten Teilbereich des mindestens einen Photodetektors aufgehoben.
Weitere Aspekte
Wie bereits oben erwähnt, kann das Substrat einen Abstandshalter aufweisen. Der Halbleiterchip kann mit dem Abstandshalter verbunden sein, insbesondere an einer Rückseite des Halbleiterchips, die von der Oberfläche abgewandt ist, in die die Photodetektoren integriert sind. Der Hohlraum kann sowohl in dem Abstandshalter als auch in dem Halbleiterchip ausgebildet sein. Durch die Verwendung eines Abstandshalters kann der Abstand zwischen der Lichtquelle und dem optischen Element vergrößert werden. Die Vergrößerung des Abstands zwischen Lichtquelle und optischem Element ermöglicht die Verwendung eines optischen Elements mit größerer Brennweite. Dies kann mehrere positive Auswirkungen haben, insbesondere auf die Größe des Detektionsvolumens und auf die Empfindlichkeit gegenüber Fertigungstoleranzen.
Wie bereits erwähnt, kann der PM-Sensor ein Basissubstrat aufweisen. Die Lichtquelle kann auf dem Basissubstrat angebracht sein. Das Substrat kann ebenfalls auf dem Basissubstrat angeordnet sein, und zwar derart, dass die Lichtquelle in dem Hohlraum angeordnet ist. Wenn das Substrat aus einem Halbleiterchip besteht, kann der Halbleiterchip direkt mit dem Basissubstrat verbunden sein. Umfasst das Substrat einen Abstandshalter, so kann der Abstandshalter zwischen dem Basissubstrat und dem Halbleiterchip angeordnet sein. Das Basissubstrat erstreckt sich vorzugsweise in einer Ebene, die parallel zur Oberfläche des Halbleiterchips liegt, in die die Photodetektoren integriert sind. Das Basissubstrat kann ein Land-Grid-Array bilden oder umfassen.
Um die Lichtmenge zu verringern, die den mindestens einen Photodetektor von der Lichtquelle durch die Seitenwände des Hohlraums erreicht, kann eine lichtundurchlässige Beschichtung auf die Seitenwände des Hohlraums aufgebracht sein. Ebenso kann zur Verringerung der Auswirkungen des Umgebungslichts eine lichtundurchlässige Beschichtung auf eine Rückseite des Substrats oder des Halbleiterchips aufgebracht sein, wobei die Rückseite von der Fläche abgewandt ist, in die der mindestens eine Photodetektor integriert ist. Umfasst das Substrat einen Halbleiterchip und einen Abstandshalter, kann die lichtundurchlässige Beschichtung auf der Rückseite des Abstandshalters, auf der Rückseite des Halbleiterchips oder auf beiden aufgebracht sein. Die lichtundurchlässige Beschichtung kann eine Metallisierung und/oder eine Beschichtung, die durch ein Tintenstrahlverfahren aufgebracht wurde, umfassen.
Der Hohlraum kann eine Symmetrieachse aufweisen. Insbesondere kann der Hohlraum eine diskrete oder kontinuierliche Rotationssymmetrie um die Symmetrieachse aufweisen. Die Symmetrieachse steht vorzugsweise senkrecht zur Oberfläche des Halbleiterchips, in die die Photodetektoren integriert sind. Sie ist vorzugsweise parallel zur optischen Achse, die durch das optische Element definiert ist. Sie kann mit der optischen Achse zusammenfallen.
Der PM-Sensor kann ferner ein lichtblockierendes Element umfassen, wobei das lichtblockierende Element auf der Oberfläche des Halbleiterchips, in die die Photodetektoren integriert sind, so angeordnet ist, dass das lichtblockierende Element selektiv einen Teil eines oder mehrerer der Photodetektoren von Licht abschirmt, das von einem Partikel im Detektionsvolumen gestreut wurde. Dieser Teil hängt von der Entfernung des Partikels von der Oberfläche des Halbleiterchips ab, in die der mindestens eine Photodetektor integriert ist, während ein oder mehrere andere Photodetektoren nicht durch das lichtblockierende Element abgeschirmt werden. Das lichtabschirmende Element kann durch eine asymmetrische Verlängerung des optischen Elements gebildet sein. Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, ein Maß für den Abstand des Partikels von der Oberfläche des Halbleiterchips, in die der mindestens eine Photodetektor integriert ist, zu bestimmen, indem sie Signale von Photodetektoren, die teilweise durch das lichtabschirmende Element abgeschirmt sind, mit Signalen von Photodetektoren vergleicht, die nicht durch das lichtabschirmende Element abgeschirmt sind. Die Steuereinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, den ermittelten Abstand bei der Bestimmung der physikalischen Größe in Bezug auf die Partikel zu berücksichtigen. Insbesondere Größenparameter der Partikel können durch Berücksichtigung des Abstands zuverlässiger bestimmt werden.
Um das Substrat mechanisch zu schützen, kann der PM-Sensor eine Umhüllung aufweisen, die das Substrat seitlich umschließt, wobei die Umhüllung aus einem Formmaterial hergestellt ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein PM-Sensormodul ein Gehäuse und einen im Gehäuse angeordneten Strömungskanal. Ferner umfasst das PM-Sensormodul ein Gebläse oder eine Heizung, das/die in dem Gehäuse angeordnet und dazu ausgebildet ist, Luft durch den Strömungskanal zu bewegen, sowie den PM-Sensor, wie er in einer der vorstehenden Ausführungsformen oder in einer der nachstehenden Ausführungsformen beschrieben ist, wobei der PM-Sensor in dem Gehäuse so angeordnet ist, dass ein Teil des Strömungskanals mit dem Detektionsvolumen zusammenfällt.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer physikalischen Größe in Bezug auf partikelförmige Materie unter Verwendung eines hierin beschriebenen Partikelsensors bereit. Das Verfahren umfasst:

Betrieb der Lichtquelle, um den Lichtstrahl zu erzeugen;
Betreiben des mindestens einen Photodetektors, um Licht zu detektieren, das von Partikeln, die den Lichtstrahl kreuzen, gestreut wurde; und
Analyse der Signale von dem mindestens einen Photodetektor, um mindestens einen Parameter zu bestimmen, der die physikalische Größe der partikelförmigen Materie widerspiegelt.

Die Bestimmung des mindestens einen Parameters kann die Bestimmung der optischen Leistung der Lichtquelle und/oder die Bestimmung des Abstands des Partikels von der Oberfläche des Halbleiterchips, in die der mindestens eine Photodetektor integriert ist, und/oder die Durchführung von Differenzmessungen von Signalen aus abgeschirmten und nicht abgeschirmten Teilbereichen, wie oben erläutert, umfassen.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelsensors, wie hierin beschrieben, zur Verfügung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

a) Ausbilden mindestens eines Photodetektors in einer Oberfläche eines Halbleiterchips;
b) Ätzen des Halbleiterchips in einer Richtung, die senkrecht zur Oberfläche verläuft, um zumindest einen Teil eines Hohlraums zu bilden;
c) optionales Verbinden des Halbleiterchips mit einem Abstandshalter, wobei der Abstandshalter einen weiteren Teil des Hohlraums bildet;
d) Anordnen einer Lichtquelle in dem Hohlraum, wobei die Lichtquelle dazu ausgebildet ist, einen Lichtstrahl in Richtung eines ersten Endes des Hohlraums zu emittieren;
e) optionales Bereitstellen eines optischen Elements auf dem Halbleiterchip, wobei das optische Element den Hohlraum am ersten Ende begrenzt und das optische Element dazu ausgebildet ist, den Lichtstrahl zu formen.

Schritt b) wird normalerweise nach Schritt a) durchgeführt, kann aber auch vor Schritt a) erfolgen. Schritt c) wird, falls vorhanden, typischerweise nach den Schritten a) und b) durchgeführt. Schritt d) wird in der Regel nach den Schritten a) und b) und, falls vorhanden, nach Schritt c) durchgeführt. Schritt e) kann gleichzeitig mit den Schritten a) und b) durchgeführt werden, wie im Falle einer DOE, die in eine Membran integriert ist, die aus Schichten des CMOS-Schichtstapels gebildet wird, oder er kann nach einem der Schritte b) bis d) durchgeführt werden.
Das Verfahren kann weitere Schritte umfassen, z.B. das Ausbilden zumindest eines Teils der Steuereinheit, d.h. eines ASIC, in dem hier beschriebenen Halbleiterchip, einen ASIC, in dem Halbleiterchip, wie hierin beschrieben, das Anordnen eines optischen Filters auf dem Halbleiterchip, wie hierin beschrieben, das Aufbringen einer Beschichtung auf die Hohlraumwände und/oder auf eine Rückseite des Halbleiterchips und/oder eines Abstandshalters, wie hierin beschrieben, das Ausbilden eines optischen Elements durch eines der hierin beschriebenen Verfahren, das Anordnen der Lichtquelle und des Substrats auf einem Basissubstrat, das Ausbilden von Drahtverbindungen zwischen dem ASIC und dem Basissubstrat und/oder zwischen der Lichtquelle und dem Basissubstrat, das Einschließen des Substrats in einer Umhüllung aus einem Formmaterial und das Integrieren des PM-Sensors in ein PM-Sensormodul, wie hierin beschrieben.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen sowie in der nachfolgenden Beschreibung aufgeführt.
Figurenliste
Anhand der der folgenden detaillierten Beschreibung wird die Erfindung besser verstanden, und es werden andere als die oben dargelegten Aufgaben ersichtlich werden. Diese Beschreibung nimmt Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:

1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen PM-Sensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt eine perspektivische Ansicht des PM-Sensors aus 1;
3 bis 6 zeigen verschiedene Aspekte des PM-Sensors aus 1;
7 bis 9 zeigen schematische Längsschnitte durch PM-Sensoren mit verschiedenen optischen Elementen gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
10 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen PM-Sensor gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
11A zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen PM-Sensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, wobei der PM-Sensor detaillierter dargestellt ist als in den 1-10;
11B zeigt ein schematisches Funktionsdiagramm des PM-Sensors in 11A;
12 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen PM-Sensor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
13A und 13B zeigen schematische Darstellungen der Signalverarbeitung für einen PM-Sensor gemäß 12;
14 bis 26 zeigen schematische Längsschnitte durch PM-Sensoren gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
27 zeigt eine perspektivische Ansicht eines PM-Sensors mit zwei Photodetektor-Teilbereichen;
28 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch ein Sensormodul gemäß einer ersten Ausführungsform; und
29 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch ein Sensormodul gemäß einer zweiten Ausführungsform.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen sind die Begriffe „insbesondere“, „vorzugsweise“ und „optional“ so zu verstehen, dass der entsprechende Gegenstand optional ist.
Allgemeiner Aufbau des PM-Sensors (Fig. 1 und 2)
1 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen PM-Sensor gemäß einer Ausführungsform, während 2 eine perspektivische Ansicht des PM-Sensors zeigt. Auf einem Basissubstrat 6 ist ein Hohlraum 5 in einem Substrat ausgebildet, das im vorliegenden Beispiel durch einen Halbleiterchip 4 gebildet wird. Alternativ dazu kann das Basissubstrat 6 auch Teil des Halbleiterchips 4 sein. Der Hohlraum wird durch Seitenwände 26 begrenzt, die durch das Substrat gebildet werden. Der Hohlraum 5 ist vorzugsweise von einer Unterseite (Rückseite) des Substrats her ausgebildet und kann daher auch geneigte Seitenwände aufweisen, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet. Eine Lichtquelle 1 ist im Hohlraum 5 an dessen unterem Ende, d.h. am dem Basissubstrat 6 zugewandten Ende, angeordnet. Ein Beispiel für die Lichtquelle 1 ist eine Laserdiode, insbesondere ein oberflächenemittierender Laser mit vertikaler Kavität (VCSEL). An einem oberen Ende des Hohlraums 5, d.h. dem Ende, das dem unteren Ende gegenüberliegt, ist ein optionales optisches Element 2 angeordnet, das den Hohlraum 5 verschließt. Das optische Element 2 definiert eine optische Achse 20. Ferner sind auf zwei oder mehreren Seiten des optischen Elements 2 Photodetektoren 3, z.B. Photodioden, in den Halbleiterchip 4 integriert.
Wie in 1 dargestellt, sind die Photodetektoren 3 in eine obere, vom Basissubstrat 6 abgewandte Oberfläche des Halbleiterchips 4 integriert. Diese Oberfläche definiert eine Ebene, die im Folgenden als „Photodetektorebene“ bezeichnet wird. Die Photodetektorebene erstreckt sich senkrecht zur optischen Achse 20. In der Ausführungsform von 1 ist das optische Element 2 im Wesentlichen in der Photodetektorebene angeordnet. Insbesondere sollte das optische Element 2 nicht mehr als 1 mm über die Photodetektorebene herausragen. Der Grund dafür wurde bereits oben erörtert und ist in 9 veranschaulicht: Eine vorstehende Linse 15 führt zu einer Abschattung, so dass ein Streulichtimpuls 10, der von einem PM-Partikel erzeugt wird, das sich viel näher an der Linse 15 befindet als das Partikel 9, die Photodetektoren 3 nicht erreichen würde und somit nicht detektiert würde.
Wie in 2 angedeutet, kann eine Oberseite des Halbleiterchips 4 Arrays von Photodetektoren 3, z B. vier Arrays von Photodetektorpixeln, umfassen. Zwischen den einzelnen Photodetektorpixeln oder um sie herum sind Metallisierungen 18 vorgesehen. Die Metallisierungen 18 können aus jedem elektrisch leitenden Material bestehen. Vorteilhafterweise werden sie während der regulären Verarbeitung eines CMOS-Schichtstapels des Halbleiterchips 4 durch Freilegen einer der Metallschichten auf der Oberfläche gebildet. Die Metallisierungen 18 wirken im geerdeten Zustand als faradayscher Käfig und schirmen die Photodetektoren 3 vor elektromagnetischen Störungen und damit vor Störsignalen ab. Insbesondere können einige der Metallisierungsschichten des CMOS-Schichtstapels Anschlüsse zum Auslesen der Photodetektoren bilden, während mindestens eine der Metallisierungsschichten (vorzugsweise die oberste Schicht) geerdet sein kann, um als faradayscher Käfig zu wirken. Auf dem Halbleiterchip kann ein Massekontakt ausgebildet sein, um die entsprechende Schicht mit Masse zu verbinden. Vorzugsweise haben die Photodetektorpixel 3 jeweils eine Flächenabmessung von weniger als 1x1 mm², vorzugsweise weniger als 0,5x0,5 mm², und noch bevorzugter weniger als 0,3x0,3 mm². Die gleichen Flächenmaße gelten auch für nicht-quadratische Pixel, wie z.B. kreisförmige Pixel.
In 2 ist das optische Element 2 nicht dargestellt. In einigen Ausführungsformen kann das optische Element 2 weggelassen werden, z.B. wenn die Lichtquelle 1 selbst bereits einen Lichtstrahl mit ausreichend geringer Divergenz erzeugt.
Funktionsweise des PM-Sensors (Fig. 3 bis 6)
In den 3 bis 6 sind verschiedene Aspekte des PM-Sensors aus 1 dargestellt. Die Lichtquelle 1 ist eingeschaltet und strahlt Licht in Richtung des optischen Elements 2 ab. Das optische Element 2 formt den Lichtstrahl 7 und fokussiert den Lichtstrahl 7 in einem Fokus 21. In einer Messanordnung nähern sich die PM-Partikel 9 dem Lichtstrahl 7 wie in 4 gezeigt. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass der PM-Sensor an einer Wand eines Strömungskanals angebracht wird, wobei Luft mit PM durch ein Gebläse oder alternativ durch einen Heizer durch den Strömungskanal geblasen wird (siehe Diskussion von 28 und 29 unten).
In den 4 bis 6 ist ein Teil des Lichtstrahls 7 mit einer anderen Schraffur dargestellt: Dies ist das Detektionsvolumen 8, das dadurch definiert ist, dass ein im Detektionsvolumen 8 befindliches PM-Partikel 9 einen ausreichend großen Streulichtimpuls 10 erzeugt, so dass er von mindestens einem der Photodetektoren 3 detektiert wird, d.h. dass ein resultierendes Signal im Photodetektor 3 oberhalb des Rauschpegels, z.B. des Dunkelstromrauschens, liegt.
Der vorgeschlagene Aufbau mit einem fokussierenden optischen Element 2 und Photodetektoren 3 in der gleichen Ebene hat den Vorteil, dass das Detektionsvolumen 8 mindestens bis zum Fokus 21 des optischen Elements 2 reicht. Die geometrischen Gründe hierfür wurden bereits weiter oben erörtert. Insbesondere bei großen PM-Partikeln 9 kann sich das Detektionsvolumen 8 sogar über den Fokus 21 hinaus erstrecken, d.h. eine Streupartikelhöhe 11 kann größer sein als die Brennweite des optischen Elements 2, während das Partikel dennoch detektiert wird.
Im Allgemeinen können Größe und Form des Detektionsvolumens 8 optimiert oder an bestimmte Anwendungen angepasst werden, indem einer oder mehrere der Parameter optische Leistung der Lichtquelle 1, Brennweite des optischen Elements 2, Abstand zwischen Lichtquelle 1 und optischem Element 2, Abstand zwischen optischem Element 2 und Photodetektoren 3, Empfindlichkeit der Photodetektoren 3, elektromagnetische Abschirmung zur Verringerung des Rauschpegels usw. variiert werden.
Gestaltung des optischen Elements
Die 7 bis 9 zeigen ähnliche Ausführungsformen eines PM-Sensors wie 1, jedoch mit anderen optischen Elementen 2. In 7 ist das optische Element eine herkömmliche optische Linse 12, z.B. aus Glas oder einem Polymer. Abhängig vom optischen Index des Linsenmaterials muss eine herkömmliche optische Linse 12 eine bestimmte Dicke aufweisen, um aufgrund der Brechungsgesetze eine gewünschte Brennweite zu erreichen.
Ein alternatives optisches Element ist in 8 dargestellt: Ein diffraktives optisches Element (DOE) 13, das z.B. auf einer Membran 22 angeordnet ist, kann bei gleicher Brennweite mit geringerer Dicke ausgeführt werden. Die Membran 22 für das DOE 13 kann bei der Herstellung aus dem CMOS-Schichtstapel des Halbleiterchips 4 freigelegt werden. In einer besonderen Ausführungsform kann die DOE 13 ein Metamaterial sein, z.B. wenn eine Oberfläche der Membran so strukturiert ist, dass sie effektiv als optische Linse wirkt.
9 zeigt ein weiteres optisches Element: Auf einem Trägersubstrat ist eine Linse angeordnet, z.B. eine Polymerlinse 15 auf einem Glasträgersubstrat 23, wie oben beschrieben. Eine solche Linse 15 auf einem Glasträgersubstrat 23 kann als geprägte Polymerlinse auf dem Glasträgersubstrat 23 hergestellt und dann auf dem Halbleiterchip 4 montiert werden, z.B. mittels eines Klebstoffs. Da die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Glasträgersubstrats 23 und des Halbleiterchips 4 übereinstimmen oder zumindest ähnlich sind, werden die Spannungen im Klebstoff bei Temperaturwechseln reduziert.
9 veranschaulicht ferner eine geometrische Überlegung zur Ausbreitung der Kugelwellenfront des Streulichts, wie oben erläutert: Ein Abstand 14 der Photodetektoren 3 von der optischen Achse 20 und damit vom optischen Element wird vorteilhaft minimiert. Dies führt zu einem großen Detektionsvolumen 8, oder anders ausgedrückt, zu einer hohen PM-Zahl.
In den 9 und 10 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Seitenwände des optischen Elements 2, in diesem Fall des Glasträgersubstrats 23, das die Linse 15 trägt, sind mit einer Lichtbarriere 19 versehen, z.B. einer Schwärzung oder Versilberung. Dadurch wird verhindert, dass Streulicht aus dem optischen Element auf direktem Weg zu den Photodetektoren 3 gelangt, was den Rauschpegel erheblich erhöhen und die Fähigkeit des PM-Sensors, PM-Partikel zu erkennen, verringern würde, d.h. es würde das Detektionsvolumen 8 erheblich verringert. Die Schwärzung oder Versilberung kann durch Auftragen einer selektiven Beschichtung auf das Glasträgersubstrat 23 erreicht werden, z.B. einer Chemikalie, die sich mit dem Glas des Glasträgersubstrats 23 verbindet und es schwärzt/versilbert, nicht aber die Polymerlinse 15. Außerdem ist eine solche Beschichtung von Natur aus dünn und vergrößert daher die seitliche Dicke des optischen Elements nicht wesentlich, so dass sich die oben beschriebene Abschattung nicht verschlimmert.
10 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen PM-Sensor gemäß einer anderen Ausführungsform. Dieser PM-Sensor hat die meisten Merkmale mit dem in 1 gezeigten Sensor gemeinsam. Er hat jedoch nur auf einer Seite des optischen Elements, das in der gezeigten Ausführungsform wiederum eine Linse 15 auf einem Trägersubstrat 23 ist, Photodetektoren 3. Auf der gegenüberliegenden Seite wird das optische Element von einem Stützelement 16 gestützt, das z.B. ein geformter Rahmen oder ein durch das Substrat gebildeter Abstandshalter sein kann. Der PM-Sensor von 10 kann offensichtlich ein kleineres Signal-Rausch-Verhältnis aufweisen als der PM-Sensor der 1 bis 9. Der vorliegende PM-Sensor kann jedoch mit einem noch kleineren Formfaktor gebaut werden, wodurch er sich gut für miniaturisierte Anwendungen eignet.
Einzelheiten zum PM-Sensor (Fig. 11A)
11A zeigt eine Ausführungsform eines PM-Sensors, die der Ausführungsform von 9 ähnlich ist, wobei der Sensor detaillierter als in den 1 bis 10 dargestellt ist.
In dieser Ausführungsform ist der Halbleiterchip 4 ein Siliziumchip, der einen CMOS-Schichtstapel 24 trägt. Die Photodetektoren 3 werden im Halbleitermaterial durch ein CMOS-Verfahren hergestellt. Jeder Photodetektor 3 kann beispielsweise eine Photodiode sein, die durch Schaffung einer negativ dotierten Vertiefung in einem positiv dotierten Teil des Siliziumchips gebildet wird. Damit das Licht diese Photodiode erreichen kann, wird der CMOS-Schichtstapel über der Photodiode durch Ätzen entfernt. Die Anode und die Kathode der Photodiode sind mit Metallisierungsschichten des CMOS-Schichtstapels 24 verbunden.
In dem CMOS-Schichtstapel 24 sind analoge und digitale elektronische Schaltkreise untergebracht. Die elektronischen Schaltkreise bilden einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC). Der ASIC fungiert u.a. als Steuereinheit 27, wie nachstehend unter Bezugnahme auf 11B erläutert wird.
In dem Halbleiterchip 4 ist ein lichtempfindlicher Hilfsdetektor 25 zur Bestimmung der optischen Leistung der Lichtquelle 1 ausgebildet. Dieser Detektor kann auch als „Rückkopplungsdetektor“ bezeichnet werden, da er eine Rückkopplung liefern kann, um die Leistung der Lichtquelle 1 in einer geschlossenen Schleife zu regeln. Der Hilfsdetektor 25 kann vom gleichen Typ wie die Hauptphotodetektoren 3 sein. Vorzugsweise ist er eine Photodiode. Der Hilfsdetektor 25 kann in dem Halbleiterchip 4 auf die gleiche Weise wie die Hauptphotodetektoren 3 ausgebildet sein. Er ist vorzugsweise sehr nahe an einer Oberfläche einer Seitenwand 26 angeordnet, die den Hohlraum 5 begrenzt. Der Hilfsdetektor hat vorzugsweise eine Fläche, die im Vergleich zur Gesamtfläche der Hauptphotodetektoren 3 sehr klein ist. So kann er beispielsweise eine Fläche von weniger als 100 µm x 100 µm, z.B. 50 µm x 50 µm, einnehmen. Auf diese Weise ist der Hilfsdetektor 25 relativ unempfindlich gegenüber Licht, das von PM im Detektionsvolumen 8 gestreut wurde. Er ist jedoch empfindlich für Licht, das den Hilfsdetektor 25 über andere Lichtwege erreichen kann.
Das vom Hilfsdetektor 25 empfangene Licht kann mindestens zwei verschiedene Ursprünge haben. Zum einen kann der Hilfsdetektor 25 Licht empfangen, das von der Lichtquelle 1 etwa entlang ihrer Hauptemissionsrichtung, d.h. etwa entlang der Richtung des Lichtstrahls 7, emittiert wurde und von dieser Richtung weg gestreut wurde, bevor das Licht das optische Element verlassen hat. Eine solche Streuung kann z.B. an einer Oberfläche des optischen Elements oder innerhalb des optischen Elements stattfinden. In der vorliegenden Offenlegung wird diese Art von Licht als „Streulicht“ bezeichnet. Andererseits kann der Hilfsdetektor 25 Licht empfangen, das von der Lichtquelle in andere Richtungen als die Hauptemissionsrichtung abgestrahlt wurde. Handelt es sich bei der Lichtquelle beispielsweise um einen VCSEL, so hat die Lichtquelle eine Hauptemissionsfläche, an der der Lichtstrahl 7 emittiert wird, und laterale Seitenwände. Die Hauptabstrahlfläche ist in Richtung des Lichtstrahls ausgerichtet. Ein VCSEL erzeugt in der Regel auch an seinen lateralen Seitenwänden eine gewisse Menge an Licht durch spontane Emission. Dieses Licht kann sich auch zum Hilfsdetektor 25 ausbreiten.
In dem Beispiel von 11A gibt es mindestens drei mögliche Lichtwege von der Lichtquelle 1 zum Hilfsdetektor 25:

- Ein erster Lichtweg führt durch den Halbleiterchip 4. Die Eindringtiefe des Lichts in das Silizium hängt von der Wellenlänge ab. Bei einer typischen IR-Wellenlänge von 940 nm wird die Lichtintensität nach etwa 100 µm auf etwa 10% (1/e²) reduziert. Dieser Lichtweg ist besonders relevant für Licht, das durch spontane Emission erzeugt wird. Wenn die optische Leistung der Lichtquelle 1 durch Überwachung der Intensität des durch spontane Emission erzeugten Lichts überwacht werden soll, sollte der Hilfsdetektor 25 daher so nahe wie möglich an der Oberfläche einer den Hohlraum 5 begrenzenden Seitenwand 26 angeordnet werden, und die Oberfläche der Seitenwand 26 sollte nicht von einem lichtundurchlässigen Material bedeckt sein. Darüber hinaus kann die Oberseite des Hilfsdetektors 25 durch zumindest einige der Schichten des CMOS-Schichtstapels abgedeckt werden, um zu verhindern, dass Licht von oben auf den Hilfsdetektor 25 fällt.
- Ein zweiter Lichtweg verläuft durch den CMOS-Schichtstapel 24. Der CMOS-Schichtstapel kann als Lichtleiter senkrecht zur optischen Achse des optischen Elements, d.h. in oder parallel zur Photodetektorebene, wirken. Licht, das in den CMOS-Schichtstapel eintritt, wird somit zum Hilfsdetektor 25 geleitet. In einigen Ausführungsformen kann Streulicht und/oder Licht aus spontanen Emissionen in den CMOS-Schichtstapel an einer Hohlraumwand 26 eintreten, wie in der Ausführungsform von 11A. In der Praxis kann dieser Mechanismus jedoch oft vernachlässigt werden. In anderen Ausführungsformen wird durch eine oder mehrere Schichten des CMOS-Schichtstapels eine Membran 22 gebildet, wie in der Ausführungsform von 8, und Streulicht kann durch Streuungsereignisse innerhalb der Membran 22 und/oder an ihren Grenzen entstehen, so dass Streulicht direkt im CMOS-Schichtstapel erzeugt wird. Dieser Lichtweg ist auch dann aktiv, wenn sich auf der Oberfläche der Seitenwände 26 des Hohlraums 5 eine lichtundurchlässige Schicht befindet.
- Ein dritter Lichtweg verläuft durch das optische Element. In dem Beispiel von 11a ist das optische Element eine geprägte Polymerlinse 15 auf einem Glasträgersubstrat 23. Das Glasträgersubstrat 23 ist in der Lage, Streulicht zu einem Teil seiner Unterseite zu leiten, der direkt über dem Hilfsdetektor 25 angeordnet ist. Licht, das aus diesem Teil des Glasträgersubstrats 23 austritt, kann von oben auf den Hilfsdetektor 25 treffen. Ähnliche Überlegungen können auch für andere Arten von optischen Elementen gelten. Auch dieser Lichtweg ist selbst bei Vorhandensein einer lichtundurchlässigen Schicht auf der Oberfläche der Seitenwände 26 des Hohlraums 5 aktiv.

Abhängig von der Anordnung des Hilfsdetektors 25 relativ zum Hohlraum 5 (insbesondere seinem seitlichen Abstand von den Hohlraumwänden), vom Vorhandensein oder Nichtvorhandensein, der Art und der Anordnung des optischen Elements (z.B., ob ein optisches Element vorhanden ist oder nicht, ob das optische Element eine aus dem CMOS-Schichtstapel gefertigte Membran enthält oder nicht, ob es einen direkten Lichtweg vom optischen Element zur Oberseite des Hilfsdetektors gibt oder nicht, ob der Hilfsdetektor von einer oder mehreren lichtundurchlässigen Schichten des CMOS-Schichtstapels bedeckt ist oder nicht), und von weiteren Maßnahmen wie dem Anbringen einer lichtundurchlässigen Schicht auf den Oberflächen der Hohlraumseitenwände kann das vom Hilfsdetektor 25 empfangene Licht entweder durch Streulicht oder durch Licht aus spontanen Emissionen dominiert werden. Dementsprechend kann die Steuereinheit 27 die optische Leistung der Lichtquelle aus Streulicht, aus spontaner Emission oder aus einer Kombination von beidem bestimmen.
Auf der Oberseite des Halbleiterchips 4 befindet sich ein optischer Filter 28, der sowohl die Photodetektoren 3 als auch den Hilfsdetektor 25 abdeckt. Der optische Filter 28 ist ein optischer Bandpassfilter, der nur Licht in einem Wellenlängenbereich durchlässt, der die Wellenlänge der Lichtquelle 1 umfasst. Der optische Filter 28 ist ein Interferenzfilter, der in einem Wafer-Level-Verfahren aufgebracht wurde, bei dem mehrere Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes übereinander gestapelt werden. Die Dicke der einzelnen Schichten kann im Bereich von etwa einer Viertelwellenlänge der dominanten Wellenlänge der Lichtquelle liegen. Dies führt zu destruktiver Interferenz für alle Wellenlängen außer dem gewünschten Wellenlängenbereich. Für die Hauptphotodetektoren 3 trägt der optische Filter 28 dazu bei, Gleichstromsättigung und erhöhte Rauschpegel aufgrund von Umgebungslicht zu vermeiden, wodurch der Signal-Rausch-Abstand der vom PM stammenden Signalimpulse verbessert wird. Für den Hilfsdetektor 25 reduziert der optische Filter 28 den Beitrag des Umgebungslichts zum Ausgangssignal, wodurch der Hilfsdetektor 25 relativ unempfindlich gegenüber Umgebungslicht wird.
Das Bonden und Packaging des PM-Sensors kann wie folgt durchgeführt werden: Das Basissubstrat 6 kann z.B. ein Land Grid Array (LGA) sein. Die Lichtquelle 1 und die Steuereinheit 27 können durch Drahtbonds 31 mit den Flächen („Lands“) des LGA verbunden werden. Bei der Herstellung des PM-Sensors kann die Lichtquelle 1 zunächst auf dem LGA montiert und mit den entsprechenden Flächen des LGA drahtgebondet werden. In einigen Ausführungsformen kann ein LGA mit einer darauf gebondeten Lichtquelle als vormontierte Einheit geliefert werden. Beispielsweise werden VCSELs manchmal in Form einer vormontierten Einheit auf einem LGA bereitgestellt. Danach können der Halbleiterchip 4 mit seinem Hohlraum 5 und dem CMOS-Schichtstapel 24 so auf dem LGA angebracht (z.B. aufgeklebt) werden, dass die Lichtquelle 1 im Hohlraum 5 angeordnet ist. Die Schaltkreise im CMOS-Schichtstapel 24 können dann ebenfalls mit dem LGA drahtgebondet werden. Danach kann die so entstandene Baugruppe teilweise in eine Umhüllung 32 eingekapselt werden, wobei die Photodetektoren 3, der Hilfsdetektor 25 und der Hohlraum 5 von oben zugänglich bleiben. In einigen Ausführungsformen wird das optische Element schließlich an dem Halbleiterchip 4 befestigt, um den Hohlraum 5 zu bedecken. In anderen Ausführungsformen kann das optische Element bereits in einem früheren Produktionsschritt hergestellt oder auf dem Halbleiterchip angebracht worden sein.
In der Ausführungsform von 11A, wie auch in einigen anderen Ausführungsformen, ist das optische Element eine Polymerlinse 15 auf einem Glasträgersubstrat 23. Insbesondere kann die Linse eine „Waferlevel-Optik-Linse“ oder kurz „WLO-Linse“ sein. Bei der Waferlevel-Optik wird ein Trägersubstrat in Form eines Wafers bereitgestellt, optische Strukturen werden auf dem Wafer erzeugt und der Wafer wird anschließend vereinzelt. Insbesondere können Polymerlinsen auf einem Wafer hergestellt werden, indem der Wafer mit einem UV-härtbaren Polymer beschichtet wird, das ungehärtete Polymer mit einem Stempel in Wafergröße geprägt wird und das Polymer UV-gehärtet wird. In der vorliegenden Offenbarung werden die auf diese Weise hergestellten Polymerlinsen als geprägte Polymerlinsen oder Polymer-Prägelinsen bezeichnet.
Die Seitenwände des Glasträgersubstrats 23 können mit einer Lichtbarriere 19, d.h. einer lichtundurchlässigen Beschichtung, versehen sein, um zu verhindern, dass Streulicht zu den Photodetektoren 3 gelangt. Bei der Lichtbarriere 19 kann es sich um eine spiegelnde Versilberung handeln, die mit dem bekannten Silbernitrat-Verspiegelungsverfahren auf die Seitenwände des Glasträgersubstrats 23 aufgebracht werden kann. Zu diesem Zweck wird nach der Herstellung der Polymerlinsen 15 auf dem Glaswafer, der das Glasträgersubstrat bildet, der Wafer auf eine Dicing-Folie montiert und vereinzelt. Anschließend wird der vereinzelte Wafer mit dem Silbernitratverspiegelungsverfahren behandelt. Da die Rückseite des Wafers durch die Dicing-Folie geschützt ist und das Polymer, aus dem die Linsen gebildet werden, nicht mit den Chemikalien reagiert, wird der Spiegel nur an den beim Vereinzeln entstandenen Seitenwänden des Glasträgersubstrats 23 gebildet.
Um die Gefahr von Streulichtproblemen weiter zu verringern, kann auf der Ober- und/oder Unterseite des Glasträgersubstrats 23 eine weitere Beschichtung 29 vorgesehen werden, die eine Blende bildet, die eine Apertur definiert. Bei der Beschichtung 29 kann es sich z.B. um eine Chrombeschichtung handeln. Im Beispiel von 11A wurde eine Chrombeschichtung auf die Oberseite des Glasträgersubstrats 23 aufgebracht. Die Beschichtung bildet eine Blende, die eine Apertur definiert, und die Polymerlinse 15 ist in der Apertur angeordnet. Anstelle oder zusätzlich zur Ausbildung einer Blende auf der Oberseite des Glasträgersubstrats kann auch auf der Unterseite des Glasträgersubstrats eine Blende ausgebildet werden, die eine Apertur definiert.
Während die Grundsätze eines optischen Elements auf Waferlevel am Beispiel eines Glaswafers erläutert wurden, der ein Trägersubstrat aus Glas bildet, kann das Trägersubstrat auch aus einem anderen Material als Glas bestehen.
Steuereinheit (Fig. 11B)
11B zeigt ein schematisches Funktionsdiagramm des PM-Sensors aus 11A. Die Steuereinheit 27 empfängt Signale sowohl von den Photodetektoren 3 als auch von dem lichtempfindlichen Hilfsdetektor 25. Die Steuereinheit 27 verarbeitet die Signale von den Photodetektoren 3, um Signalimpulse zu erfassen, die den von PM stammenden Lichtimpulsen im Detektionsvolumen 8 des Lichtstrahls 7 entsprechen. Die Steuereinheit 27 analysiert diese Signalimpulse weiter, um mindestens einen Parameter abzuleiten, der eine physikalische Größe der Partikel repräsentiert, wie z.B. einen Parameter, der die Partikelkonzentration angibt, mindestens einen Partikelgrößenparameter (z.B. die durchschnittliche Größe und/oder mindestens einen Parameter, der die Größenverteilung charakterisiert) und/oder mindestens einen Partikelgeschwindigkeitsparameter. Beispielsweise kann die Bestimmung eines PM-Konzentrationsparameters auf der Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit und einer bekannten, gemessenen oder geschätzten Durchflussrate des am PM-Sensor vorbeiströmenden Fluids basieren, wie das an sich bekannt ist. Die Bestimmung von PM-Größenparametern kann auf der Amplitude der Impulse beruhen, wie das ebenfalls an sich bekannt ist. Bei der Berechnung der PM-Parameter kann die Steuereinheit 27 die optische Leistung der Lichtquelle 1 berücksichtigen, die durch die Signale des Hilfsdetektors 25 repräsentiert wird. Die Steuereinheit 27 kann ferner die Signale des Hilfsdetektors 25 verwenden, um die optische Ausgangsleistung der Lichtquelle 1 durch einen Regelungsalgorithmus zu regeln. Die Steuereinheit kann auch den Abstand der PM-Partikel von der Photodetektorebene berücksichtigen, wie in Verbindung mit 12 näher erläutert wird.
Zusammenfassend hat die Steuereinheit 27 zwei Hauptaufgaben: a) die Verarbeitung von Signalen der Photodetektoren 3, um mindestens einen Parameter abzuleiten, der eine Eigenschaft der PM repräsentiert; und b) die Überwachung und gegebenenfalls die Steuerung der Ausgangsleistung der Lichtquelle 1 unter Verwendung des Hilfsdetektors 25.
In einigen Ausführungsformen kann die Steuereinheit 27 vollständig „on-chip“ in dem aus dem CMOS-Schichtstapel 24 gebildeten ASIC implementiert sein. In anderen Ausführungsformen können Teile der Funktionen der Steuereinheit 27 in dem ASIC implementiert sein, während andere Funktionen „außerhalb des Chips“ in einem externen Schaltkreis implementiert sein können. Der externe Schaltkreis kann mit dem ASIC verbunden sein, z.B. über das Basissubstrat 6. Beispielsweise können einige anfängliche Verarbeitungsschritte der von den Hauptphotodetektoren 3 und/oder dem Hilfsdetektor 25 empfangenen Signale, wie Signalverstärkung, Analog-Digital-Wandlung und Filterung, von dem ASIC, der durch den CMOS-Schichtstapel 24 gebildet wird, „on-chip“ durchgeführt werden, während nachfolgende Verarbeitungsschritte, wie Berechnungsschritte zur Berechnung eines Parameters, der eine Eigenschaft des PM repräsentiert, und/oder Berechnung eines Steuersignals zur Steuerung der Lichtquelle 1, „off-chip“ von dem externen Schaltkreis durchgeführt werden können. Der externe Schaltkreis kann einen Allzweckprozessor oder einen anwendungsspezifischen Prozessor umfassen, der dazu ausgebildet ist, ein Computerprogramm auszuführen, das den Prozessor veranlasst, einen oder mehrere Verarbeitungsschritte zur Bestimmung des Parameters auszuführen.
Abstandsbestimmung (Fig. 12, 13A, 13B)
12 zeigt eine Ausführungsform eines PM-Sensors, die es ermöglicht, den Abstand von der Photodetektorebene zu bestimmen, in dem ein detektiertes Partikel den Lichtstrahl 7 durchquert hat. Zu diesem Zweck kann das optische Element durch eine asymmetrische Verlängerung 41 ergänzt werden.
Die asymmetrische Verlängerung 41 erstreckt sich selektiv lateral in Richtung eines oder mehrerer Photodetektoren und schirmt diese Photodetektoren teilweise ab, während sie andere Photodetektoren nicht abschirmt. Im Beispiel von 12 werden die teilweise abgeschirmten Photodetektoren als Photodetektoren 3b bezeichnet, während die nicht abgeschirmten Photodetektoren als Photodetektoren 3a bezeichnet werden. Die asymmetrische Verlängerung 41 schirmt die betroffenen Photodetektoren 3b von einem Teil des Lichts der PM-Partikel ab, die den Lichtstrahl 7 in der Nähe des optischen Elements durchqueren. Dies wird in 12 am Beispiel zweier PM-Partikel 9, 9' veranschaulicht, die den PM-Sensor in unterschiedlichen Abständen von der Photodetektorebene passieren. Das Partikel 9 passiert den PM-Sensor in einem vergleichsweise großen Abstand. Die asymmetrische Verlängerung 41 verhindert nicht, dass das von diesem Partikel gestreute Licht den Photodetektor 3b erreicht. Dementsprechend erhalten die Photodetektoren 3a und 3b die gleiche Menge an Streulicht. Im Gegensatz dazu passiert das Partikel 9' den PM-Sensor in einem vergleichsweise geringen Abstand zur Photodetektorebene. Da die asymmetrische Verlängerung 41 einen Teil des vom Partikel 9' gestreuten Lichts abschirmt, erhalten die Photodetektoren 3a und 3b unterschiedliche Mengen an Streulicht.
13A zeigt schematisch die Signalimpulse, die von den Photodetektoren 3a und 3b aufgrund des von den Partikeln 9 bzw. 9' empfangenen Streulichts aufgezeichnet werden.
Zum Zeitpunkt t1 empfangen die Photodetektoren 3a und 3b Streulicht vom Partikel 9. Die daraus resultierenden Signalimpulse haben ungefähr die gleiche Amplitude. Zum Zeitpunkt t2 empfangen die Photodetektoren 3a und 3b Streulicht vom Partikel 9'. Der resultierende Signalimpuls von Photodetektor 3a ist viel größer als der Impuls von Photodetektor 3b.
13B zeigt das sich ergebende Verhältnis der Signale der Photodetektoren 3a und 3b. Dieses Verhältnis ist ein direktes Maß für den Abstand eines Partikels von der Photodetektorebene, wenn das Partikel den Lichtstrahl 7 durchquert. Insbesondere weist das Verhältnis das folgende Verhalten auf:

a) Je näher dieses Verhältnis bei 1 liegt (die Signalpegel sind gleich), desto weiter war das Partikel von der Photodetektorebene entfernt, als es den Lichtstrahl durchquerte.
b) Je näher das Verhältnis bei 0 liegt (kein Licht am Photodetektor 3b, der zu der asymmetrischen Verlängerung weist, aufgrund der Abschattung), desto näher war das Partikel an der Photodetektorebene, als es den Lichtstrahl durchquerte.
c) Verhältnisse zwischen 0 und 1 entsprechen unterschiedlichen Abständen des Partikels von der Photodetektorebene.

Diese Information kann von der Steuereinheit 27 verwendet werden, um unerwünschte Auswirkungen des genannten Abstands auf die Signalpegel zu kompensieren. Wenn zum Beispiel die Intensitätsverteilung des Lichtstrahls 7 entlang der optischen Achse bekannt ist, kann die Steuereinheit 27 die gemessenen Impulsamplituden um die bekannte Intensitätsverteilung korrigieren. Dadurch kann eine bessere Schätzung der Partikelgröße erreicht werden. Generell kann eine bessere Sensorleistung erzielt werden.
In 12 wird die Wirkung einer asymmetrischen Verlängerung 41 des optischen Elements am Beispiel einer Polymerlinse 15 auf einem Glasträgersubstrat 23 veranschaulicht, doch kann das gleiche Konzept auch bei anderen Arten von optischen Elementen angewandt werden.
Allgemeiner ausgedrückt ist die asymmetrische Verlängerung 41 ein Beispiel für ein lichtblockierendes Element, das auf dem Halbleiterchip 4 so angeordnet ist, dass es selektiv einen Teil eines oder mehrerer Photodetektoren von Licht abschirmt, das von einem PM-Partikel im Lichtstrahl 7 gestreut wurde, wobei dieser Teil von einem Abstand des Partikels von der Photodetektorebene abhängt. Das lichtblockierende Element kann von dem optischen Element getrennt ausgebildet sein. Es kann seitlich neben dem optischen Element angeordnet sein. Es kann sogar vorgesehen werden, wenn ein optisches Element gänzlich fehlt.
Lichtundurchlässige Beschichtung der Seitenwände des Hohlraums (Fig. 14 und 15)
Die Schaffung eines „Lichtblockers“, d.h. einer Beschichtung auf den Seitenwänden des Hohlraums und/oder der Unterseite des Halbleiterchips 4, die dem Basissubstrat 6 zugewandt ist, wobei die Beschichtung für die Hauptemissionswellenlängen der Lichtquelle 1 undurchlässig ist, verhindert, dass direktes Licht und/oder Streulicht der Lichtquelle 1 durch den Halbleiterchip zu den Photodetektoren gelangt. Auf diese Weise kann eine Sättigung der Detektoren verhindert und/oder das (Schottky-)Rauschen reduziert werden. Ein geringeres Rauschen bedeutet, dass ein niedrigerer Schwellenwert für die PM-Detektion gewählt werden kann, was zu einer höheren Leistung führt. Insbesondere können kleinere Partikel erkannt werden. Die Statistik für die Datenauswertung wird verbessert, was zu einer höheren Genauigkeit führt.
In der Ausführungsform von 14 wird eine solche Beschichtung durch eine rückseitige Metallisierung 51 des Halbleiterchips 4 gebildet. Eine solche Metallisierung kann z.B. durch Sputterdeposition erzeugt werden. Wenn der Abscheidungsprozess nach dem Ätzen des Hohlraums in den Halbleiterchip erfolgt, werden auch die Seitenwände des Hohlraums automatisch mit der Metallisierung 51 bedeckt. Geeignete Materialien für die Metallisierung sind unter anderem Al, Cu, Ag, Ti und TiN. Sinnvolle Metallisierungsdicken reichen von 50 nm bis zu 1 µm oder mehr.
Ein solches Metallisierungsverfahren ist jedoch mit Produktdesigns unvereinbar, die eine aus einer oder mehreren CMOS-Schichten bestehende Membran umfassen, wie im Beispiel von 8, da die Metallisierung die Membran lichtundurchlässig machen würde. Daher sollten für solche Ausführungsformen andere Verfahren zur Erzeugung einer lichtundurchlässigen Beschichtung auf der Chipoberfläche verwendet werden.
Eine Ausführungsform, bei der eine lichtundurchlässige Beschichtung 52 durch ein alternatives Verfahren erzeugt wurde, ist in 15 dargestellt. In dieser Ausführungsform überspannt eine Membran 22, die aus einer oder mehreren Schichten des CMOS-Schichtstapels 24 besteht, den Hohlraum 5. Die Membran kann Teil des optischen Elements sein, wie weiter unten noch näher erläutert wird, oder sie kann einfach zum Schutz der Lichtquelle vor Verunreinigungen vorgesehen sein. Die lichtundurchlässige Beschichtung 52 kann durch Tintenstrahldruck auf Waferebene in den Hohlraum 5 eingebracht werden. Dieses Verfahren ist sehr kosteneffizient. Aufgrund der geringen Tropfengröße ist es mit Produktdesigns kompatibel, die eine Membran 22 verwenden. Um zu verhindern, dass sich Tinte in Richtung der Membranmitte ausbreitet, die transparent bleiben sollte, damit der Lichtstrahl hindurchtreten kann, kann in die Membran 22 eine Fließstop-Struktur 53 (z.B. ein Ring, der aus einem Oxid in der Membran besteht) eingearbeitet werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Tinte, die auf der Membran 22 radial außerhalb der Fließstop-Struktur 53 angeordnet ist, als ein weiteres Beispiel für eine Blende betrachtet werden kann, die eine Apertur definiert, wie oben anhand des Beispiels einer Chrombeschichtung erläutert.
Bei beiden Ausführungsformen (Metallisierung oder Tintenstrahl-Beschichtung) ist es von Vorteil, wenn die Seitenwände des Hohlraums zur Rückseite des Halbleiterchips 4 hin geneigt sind, wie durch die gestrichelten Linien in 1 angedeutet.
Abstandshalter (Fig. 16)
16 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein Abstandshalter 61 zwischen dem Basissubstrat 6 und dem Halbleiterchip 4 angeordnet ist. Der Abstandshalter 61 und der Halbleiterchip 4 bilden zusammen ein Substrat 60.
Der Abstandshalter 61 ist vorzugsweise ebenfalls aus Silizium gefertigt. Der Abstandshalter 61 hat eine zentrale Öffnung (Durchgangsloch), die sich von der Unterseite des Abstandshalters 61, die dem Basissubstrat 6 zugewandt ist, bis zu seiner Oberseite, die dem Halbleiterchip 4 zugewandt ist, erstreckt. Die zentrale Öffnung ist koaxial mit dem Hohlraum im Halbleiterchip 4 angeordnet. Der Hohlraum im Halbleiterchip 4 und die zentrale Öffnung im Abstandshalter 61 bilden zusammen den Hohlraum 5, in dem die Lichtquelle 1 angeordnet ist.
In der Ausführungsform von 16 hat die zentrale Öffnung im Abstandshalter 61 laterale Abmessungen, die etwas größer sind als die des Hohlraums im Halbleiterchip 4. In anderen Ausführungsformen können die seitlichen Abmessungen der Öffnung im Abstandshalter 61 jedoch gleich groß oder kleiner sein als die des Hohlraums im Halbleiterchip 4.
Der Abstandshalter 61 vergrößert den Abstand H zwischen der Lichtquelle 1 und dem optischen Element entlang der optischen Achse 20. Ein größerer Abstand H ermöglicht die Verwendung von optischen Elementen mit einer größeren Brennweite. Einerseits können solche optischen Elemente leichter hergestellt werden. Andererseits bietet eine größere Brennweite des optischen Elements die Möglichkeit, den Abstand zwischen dem optischen Element und dem Brennpunkt des Lichtstrahls zu vergrößern. Es sei darauf hingewiesen, dass dieser Abstand nicht unbedingt mit der Brennweite des optischen Elements identisch ist, da die Lage des Brennpunkts im Allgemeinen von den Abstrahlungseigenschaften der Lichtquelle (z.B. divergent vs. kollimiert) und, im Falle einer divergenten Abstrahlung, vom Abstand H zwischen der Lichtquelle und dem optischen Element abhängt. Durch Vergrößerung des Abstands zwischen dem optischen Element und dem Brennpunkt des Lichtstrahls kann die Größe des Detektionsvolumens 8 vergrößert werden. Ein größerer Abstand H zwischen der Lichtquelle 1 und dem optischen Element verringert auch die Empfindlichkeit des Aufbaus gegenüber Schwankungen im Herstellungsprozess und bei den Materialien, insbesondere gegenüber Dickenschwankungen des Halbleiterchips 4, wodurch die Produktionsstabilität erhöht und Leistungsschwankungen von Gerät zu Gerät verringert werden. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn ein kollimierter (zylindrischer) Lichtstrahl im Gegensatz zu einem fokussierten Lichtstrahl verwendet wird, da die Kollimation besonders empfindlich auf Toleranzen des Abstands zwischen der Lichtquelle und dem optischen Element reagiert.
Wird kein Abstandshalter verwendet, ist der Abstand H durch die maximal verfügbare Dicke des Wafers, aus dem der Halbleiterchip 4 hergestellt wird, begrenzt. So beträgt beispielsweise die maximale Dicke von kommerziell erhältlichen 8-Zoll-Siliziumwafern in der Regel 720 µm. Durch die Verwendung eines Abstandshalters, der ebenfalls aus einem Siliziumwafer hergestellt wird, kann die Gesamtdicke des Substrats 60 ohne Weiteres verdoppelt werden. Wird eine noch größere Dicke gewünscht, können zwei oder mehr Abstandshalter gestapelt werden, oder es kann ein dickerer Abstandshalter durch Verwendung größerer Wafer erzielt werden, die mit größerer Dicke erhältlich sein können.
Dadurch wird die Dicke des Halbleiterchips 4, in den die Photodetektoren 3 integriert sind, zu einem frei einstellbaren Designparameter. So ist es beispielsweise möglich, einen dünnen Siliziumwafer (typischerweise etwa 300 µm) für die Herstellung der Photodetektoren 3 und der elektronischen Schaltung zu verwenden und den restlichen erforderlichen Abstand zwischen der Lichtquelle 1 und dem optischen Element durch einen Abstandshalter 61 mit der gewünschten Dicke auszugleichen.
Ein Wafer, in den die Photodetektoren integriert sind, und ein Silizium-Abstandshalter-Wafer können vor dem Vereinzeln durch leicht verfügbare Bondtechniken verbunden werden, z.B. durch „Direct Bonding“, bei dem zwei Si-Wafer durch Van-der-Waals-Kräfte miteinander verbunden werden. Alternativ steht auch das „Adhesive Bonding“ zur Verfügung, bei dem eine strukturierte Folie als Bondschnittstelle verwendet wird.
Falls gewünscht, können die Seitenwände der zentralen Öffnung und/oder die Rückseite des Abstandshalters mit einer lichtundurchlässigen Beschichtung versehen werden, wie oben für den Halbleiterchip beschrieben, in den die Photodetektoren integriert sind.
Während 16 ein optisches Element in Form einer Polymerlinse 15 auf einem Glasträgersubstrat 23 zeigt, kann jedes optische Element in Verbindung mit einem Abstandshalter verwendet werden.
Prägung auf der Membran (Fig. 17 bis 19)
Ein optisches Element kann erzeugt werden, indem eine Struktur, die als refraktives optisches Element (ROE) oder als diffraktives optisches Element (DOE) wirkt, direkt auf eine Membran aufgebracht wird, die aus einer oder mehreren Schichten des CMOS-Schichtstapels besteht. Beispiele sind in den 17 bis 19 dargestellt.
Eine Membran 22 wird in der Regel durch die Herstellung eines CMOS-Schichtstapels auf einem Silizium-Wafer und anschließendes Ätzen des Wafers von der Rückseite her erzeugt, um den Hohlraum 5 zu schaffen. Ein Ätzstopp kann durch die unterste Oxidschicht im Schichtstapel gebildet werden. Eine weitere Ausdünnung der Membran kann durch weiteres Ätzen von innerhalb des Hohlraums und/oder von der Oberseite des CMOS-Schichtstapels aus erfolgen. Im Bereich der Membran sollte der CMOS-Schichtstapel vorzugsweise nur aus SiO- und/oder SiN-Schichten bestehen, um die Membran für Licht transparent zu machen.
Eine optische Struktur wird dann direkt auf der Membran 22 durch ein optisches Verfahren auf Waferebene erzeugt. Ein optisches Verfahren auf Waferebene, das direkt auf dem Wafer angewendet wird, aus dem der Halbleiterchip 4 geformt wird, hat mehrere Vorteile: Die Fertigungstoleranzen werden reduziert, da das optische Element in einem Wafer-Level-Verfahren hergestellt wird. Das optische Element kann näher an die Photodetektorebene gebracht werden, in der die Photodetektoren angeordnet sind. Die Abschattung durch das optische Element wird minimiert, wodurch das Messvolumen vergrößert wird. Die Strömung oberhalb des Sensors wird laminarer. Die Messgenauigkeit ist bei laminarer Strömung im Allgemeinen besser. Darüber hinaus ist der Sensor weniger anfällig für Schmutzablagerungen und kann so eine längere Lebensdauer erreichen. Das Design ist am ersten Ende des Hohlraums von Natur aus fluiddicht und eignet sich daher besonders gut für Anwendungen wie Wearables, bei denen ein gewisses Maß an Wasserbeständigkeit erforderlich ist.
In der Ausführungsform von 17 wird eine Polymerlinse 71 direkt auf der Membran 22 durch Prägen auf Waferebene erzeugt. Wie in den 18 und 19 dargestellt, ist es auch möglich, eine Fresnellinse 72 (18) oder ein Muster eines diffraktiven optischen Elements (DOE) 73 (19) zu prägen, um eine noch flachere Topografie der Vorrichtung zu erzielen.
Es ist auch möglich, ein ROE- oder DOE-Muster auf der Membran 22 durch verwandte Technologien auf Waferebene wie Nanoimprint-Lithografie oder Graustufenlithografie zu erzeugen. Bei der Graustufenlithografie wird ein Photolack in einem Spin-Coating-Verfahren auf die Waferoberfläche aufgebracht. Standard-Photolithographiegeräte werden in Verbindung mit einer Graustufenmaske verwendet, um den Photolack teilweise auszuhärten. Der nicht ausgehärtete Photolack wird entfernt, wobei die Form des optischen Elements auf dem Wafer verbleibt. Die Graustufenlithografie kann auch durch direktes Laserschreiben erfolgen, bei dem die Intensität der Graustufenhärtung durch Änderung der Laserleistung moduliert wird, während die Photoresistoberfläche auf dem Wafer gescannt wird.
Bei all diesen Techniken sollte das optische Polymer oder der Photolack die Photodetektoren 3 oder die Pads für das Drahtbonding auf dem Halbleiterchip 4 nicht bedecken. Dies kann durch selektive UV-Härtung des optischen Polymers oder Photolacks durch einen teilweise transparenten Stempel erreicht werden. Das ungehärtete und noch flüssige Polymer kann nach der Herstellung der optischen Elemente von der Oberfläche des Halbleiterchips 4 entfernt werden.
Abgeschiedene oder tropfenförmige Mikrolinse (Fig. 20)
In einigen Ausführungsformen kann das optische Element eine abgeschiedene oder tröpfchenförmige Mikrolinse 74 umfassen, wie in 20 dargestellt. Eine abgeschiedene oder tröpfchenförmige Mikrolinse erhält ihre Form durch Phänomene wie Oberflächenspannung, Benetzung oder Anti-Benetzung und Schwerkraft. Die Form einer abgeschiedenen oder tröpfchenförmigen Mikrolinse wird durch mehrere Faktoren bestimmt, darunter die Oberflächenenergie der Membran, das Tröpfchenvolumen, die Strukturierung der Membranoberfläche und die Oberflächenspannung des Tröpfchens. Diese Parameter können bis zu einem gewissen Grad variiert werden, um die optischen Eigenschaften der Mikrolinse zu beeinflussen. So kann beispielsweise die Oberflächenenergie der Membran durch einen Plasmaprozess verändert werden. Die Oberflächenspannung der Tröpfchen kann durch die Wahl eines anderen Linsenmaterials verändert werden.
Tröpfchenlinsen können auch mit einem Verfahren mit geschmolzenem Photolack hergestellt werden. Bei diesem Verfahren wird mit Hilfe der (binären) Photolithographie ein Polymerpfeiler auf der Membran erzeugt. Anschließend wird das Polymer in einem Reflow-Verfahren geschmolzen.
Optisches Element auf der Unterseite der Membran
Wie in 21 dargestellt, ist es auch möglich, eine optische Struktur 75 auf der Unterseite einer Membran 22 anzuordnen, die dem Hohlraum 5 zugewandt ist. Für die Herstellung der optischen Struktur können die gleichen Techniken wie oben beschrieben verwendet werden. Zu diesem Zweck kann der Wafer umgedreht werden, so dass der Hohlraum nach oben offen ist, und die optische Struktur kann durch Prägen und UV-Härtung oder durch Photolithographie von oben erzeugt werden. Die Seitenwände des Hohlraums dienen als natürliche Fließhindernisse für das Polymer oder den Photolack. Bei einem alternativen Verfahren wird der Wafer nicht umgedreht, sondern die optische Struktur wird von unten durch ein Verfahren erzeugt, bei dem ein Stempel mit dem optischen Polymer gefüllt und der Wafer von oben auf den Stempel gedrückt wird.
DOE in der Membran (Fig. 22)
22 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine optische Struktur 76 direkt innerhalb einer CMOS-Membran erzeugt wird, d.h. innerhalb einer Membran, die aus Schichten eines CMOS-Schichtstapels 24 gebildet wird. Dies kann durch die Herstellung der optischen Struktur 76 im CMOS-Prozess oder durch nachfolgende Prozesse auf Waferebene erreicht werden, die auf der Ober- oder Unterseite der CMOS-Membran angewendet werden. Auf diese Weise lassen sich die Fertigungstoleranzen weiter verringern und auch die Kosten senken. Die Strömung über dem Sensor wird noch laminarer sein, was die Ansammlung von Schmutz auf dem optischen Element weiter reduziert. Auch hier ist eine solche Konstruktion am ersten Ende des Hohlraums von Natur aus fluiddicht.
Wenn die Membran auf diese Weise strukturiert wurde, kann man das so betrachten, dass das Membranmaterial in ein Metamaterial umgewandelt wurde, d.h. in ein Material, das so strukturiert wurde, dass es eine Eigenschaft aufweist, die in dem Material vor der Strukturierung nicht vorhanden war.
Methoden zur Herstellung von DOEs mit Hilfe des CMOS-Prozesses werden in der folgenden Veröffentlichung beschrieben: Dai, Ching-Liang & Chen, Hunglin & Lee, Chi-Yuan & Chang, Pei-Zen, „Fabrication of difractive optical elements using the CMOS process“, Journal of Micromechanics and Microengineering. 12(1):22 (2001), DOI: 10.1088/0960-1317/12/1 /304.
Eine weitere mögliche Herstellungsmethode ist die folgende: Eine optische Struktur kann durch Aufdrucken eines Photolacks oder durch Photolithographie auf dem Wafer erzeugt werden. Anschließend kann ein Ätzverfahren angewandt werden, das den Photolack entfernt und gleichzeitig die optische Struktur des Photolacks in die Membrantopographie überträgt. Dies kann von beiden Seiten der Membran aus geschehen.
In diesen Ausführungsformen kann Streulicht zur Überwachung der optischen Leistung der Lichtquelle 1 den Hilfsdetektor 25 direkt durch die CMOS-Schichten der Membran erreichen. Daher kann eine lichtundurchlässige Beschichtung auf die Seitenwände 26 des Hohlraums 5 aufgebracht werden.
2K-Formlinse (Fig. 23)
23 zeigt eine Ausführungsform, bei der das optische Element eine 2K-Formlinse 77 ist. Eine 2K-Formlinse besteht aus einem spritzgegossenen Linsenrahmen, in dem die Linse selbst durch Einbringen des Linsenmaterials in eine Replikationsform und UV-Härtung repliziert wird.
Die Ausführungsformen der 17 bis 23 sind zwar mit einem Abstandshalter 61 dargestellt, der Abstandshalter kann aber auch weggelassen werden. Auf die Seitenwände des Hohlraums kann eine lichtundurchlässige Schicht aufgebracht werden, wie in Verbindung mit 15 erläutert, um Streulicht an den Photodetektoren zu reduzieren.
Form der Seitenwände des Hohlraums (Fig. 24 bis 26)
In den 24 bis 26 sind einige Beispiele für mögliche Formen der Seitenwände 26 des Hohlraums dargestellt. In 24 sind die Seitenwände 26 zum Boden hin geneigt, d.h. die lateralen Abmessungen des Hohlraums 5 nehmen zum Boden hin zu. Eine solche Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn die Seitenwände 26 des Hohlraums mit einer lichtundurchlässigen Beschichtung versehen werden sollen. In 25 sind die Seitenwände nach oben hin geneigt. In 26 haben die Seitenwände einen nach oben geneigten oberen Teil und einen sich nach unten öffnenden konvexen unteren Teil. Die verschiedenen Formen lassen sich durch geeignete Ätzverfahren leicht herstellen, wie es in der Technik allgemein bekannt ist.
In all diesen Ausführungsformen hat der Hohlraum 5 eine Symmetrieachse, die senkrecht zur Photodetektorebene liegt. Im Falle eines Hohlraums mit quadratischem Querschnitt kann der Hohlraum beispielsweise eine vierfache Rotationssymmetrie um die Symmetrieachse aufweisen. Im Falle eines Hohlraums mit kreisförmigem Querschnitt kann der Hohlraum zylindersymmetrisch sein. Vorzugsweise fällt die Symmetrieachse mit der optischen Achse 20 zusammen.
Unterteilung der Photodetektoren (Fig. 27)
27 zeigt eine Ausführungsform, bei der einige der Photodetektoren durch eine lichtundurchlässige Schicht abgedeckt sind, z.B. eine durch Tintenstrahldruck erzeugte schwarze Schicht, die diese Photodetektoren vor dem von PM im Detektionsvolumen gestreuten Licht abschirmt, während andere Photodetektoren dem Detektionsvolumen ungeschirmt gegenüberstehen. Die nicht abgeschirmten Photodetektoren bilden einen ersten Teilbereich 81, während die abgeschirmten Photodetektoren einen zweiten Teilbereich 82 bilden. Die Steuereinheit kann Signale sowohl von den abgeschirmten als auch von den nicht abgeschirmten Photodetektoren empfangen und eine differentielle Verarbeitung durchführen, um Signale, die auf elektromagnetische Interferenzen zurückzuführen sind, auszulöschen.
Sensormodul (Fig. 28 und 29)
28 zeigt eine Ausführungsform eines vollständigen PM-Sensormoduls 90. Das Sensormodul 90 umfasst einen PM-Sensor 91 gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen. Der PM-Sensor 91 ist in einem Gehäuse 92 untergebracht, das einen Strömungskanal 97 definiert. Ein Heizelement 93 erzeugt eine konvektive Strömung 98 im Strömungskanal 97. Der PM-Sensor sendet einen Lichtstrahl 7 in den Strömungskanal 97 aus. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Richtung des Lichtstrahls 7 senkrecht zur Richtung der Konvektionsströmung 98. Der Lichtstrahl wird durch einen Spiegel 94 in einen Strahlfänger 95 umgelenkt.
Im vorliegenden Beispiel ist der Lichtstrahl 7 ein fokussierter Strahl mit einem Brennpunkt 21. Der Fokus ist innerhalb des Strömungskanals 97 angeordnet. Dadurch befindet sich das Detektionsvolumen innerhalb des Strömungskanals 97.
29 zeigt eine weitere Ausführungsform eines vollständigen PM-Sensormoduls. In dieser Ausführung fehlt eine Heizung. Stattdessen wird die Strömung 98 durch eine Gebläse 99 erzeugt.
Bezugszeichenliste

1: Lichtquelle
2: optisches Element
3, 3a, 3b: Photodetektor
4: Halbleiterchip
5: Hohlraum
6: Basissubstrat
7: Lichtstrahl
8: Detektionsvolumen
9, 9': PM-Partikel
10, 10': Streulichtimpuls
11: Höhe des Streupartikels
12: konventionelle optische Linse
13: Diffraktives optisches Element (DOE) auf Membran
14: Abstand des Photodetektors von der optischen Achse
15: Polymerlinse auf Glassubstrat
16: Stützelement
17: optisches Element, z.B. Glasfenster
18: Metallisierung
19: Lichtbarriere
20: optische Achse
21: Fokus
22: Membran
23: Glas-Substrat
24: CMOS-Schichtstapel
25: Hilfsdetektor / Hilfsphotodiode
26: Wand des Hohlraums
27: Steuereinheit
28: optischer Filter
29: Chrombeschichtung
30: Apertur
31: Drahtbond
32: Umhüllung
41: asymmetrische Verlängerung
51: Metallisierung
52: Tintenstrahl-Beschichtung
53: Tintenstrahl-Fließstop
60: Substrat
61: Abstandhalter
71: Wafer-Level-Polymer-Prägelinse direkt auf Membran
72: Wafer-Level-Polymer-Präge-Fresnel-Linse direkt auf Membran
73: Wafer-Level-Polymer-Prägemuster direkt auf der Membran
74: Wafer-Level-Tröpfchen-Mikrolinse direkt auf der Membran
75: Wafer-Level-Polymer-Prägemuster auf der Unterseite der Membran
76: Diffraktives optisches Element (DOE) in der Membran
77: 2K-Formlinse
81: erster Teilbereich
82: zweiter Teilbereich
90: PM-Sensor-Modul
91: PM-Sensor
92: PCB
93: Hörer
94: Spiegel
95: Strahlfänger
96: Gehäuse
97: Strömungskanal
98: Strömung
99: Gebläse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2018100209 A2 [0003]
US 20150153275 A1 [0005]
US 20160025628 A1 [0006]
CN 106483051 B [0007]

Claims

Partikelsensor, aufweisend: - ein Substrat mit einem Halbleiterchip (4), wobei das Substrat einen Hohlraum (5) bildet und mindestens ein Teil des Hohlraums (5) in dem Halbleiterchip (4) ausgebildet ist; - mindestens einen Photodetektor (3), der in eine Oberfläche des Halbleiterchips (4) integriert ist; - eine Lichtquelle (1), die in dem Hohlraum (5) angeordnet ist, wobei die Lichtquelle (1) dazu ausgebildet ist, einen Lichtstrahl (7) in Richtung eines ersten Endes des Hohlraums (5) zu emittieren, wobei der Lichtstrahl ein Detektionsvolumen (8) für partikelförmige Materie (9) außerhalb des Hohlraums (5) definiert, wobei die Oberfläche des Halbleiterchips (4), in die der mindestens eine Photodetektor (3) integriert ist, zum Detektionsvolumen (8) hin weist, und wobei der mindestens eine Photodetektor (3) dazu ausgebildet ist, Licht (10) zu detektieren, das von partikelförmiger Materie (9) im Detektionsvolumen (8) gestreut wird.
Partikelsensor nach Anspruch 1, wobei der Halbleiterchip (4) einen CMOS-Schichtstapel (24) umfasst, und wobei eine oder mehrere Schichten des CMOS-Schichtstapels (24) eine Membran (22) bilden, die den Hohlraum (5) an seinem ersten Ende überspannt, wobei die Dicke der Membran (22) vorzugsweise weniger als 20 µm, insbesondere weniger als 10 µm beträgt.
Partikelsensor nach Anspruch 1 oder 2, umfassend ein optisches Element (2), das am ersten Ende des Hohlraums (5) angeordnet ist, wobei das optische Element insbesondere den Hohlraum (5) am ersten Ende begrenzt, wobei das optische Element (2) so gestaltet ist, dass es den Lichtstrahl (7) formt, wodurch der Lichtstrahl (7) das Detektionsvolumen (8) bildet.
Partikelsensor nach Anspruch 3, wobei das optische Element eine optische Achse (20) definiert, wobei die optische Achse (20) senkrecht zur Oberfläche des Halbleiterchips (4) verläuft, in die der mindestens eine Photodetektor (3) integriert ist.
Partikelsensor nach Anspruch 3 oder 4, wobei das optische Element (2) dazu ausgebildet ist, den Lichtstrahl (7) zu fokussieren, insbesondere, wobei das Detektionsvolumen (8) von dem optischen Element (2) mindestens bis zu einem Brennpunkt des Lichtstrahls (7) reicht, und/oder insbesondere, wobei ein Abstand zwischen dem optischen Element (2) und dem Brennpunkt mindestens 1 mm beträgt, und/oder insbesondere, wobei der Partikelsensor dazu ausgebildet ist, partikelförmige Materie (9) in einem Abstand von mindestens 1,5 mm von dem optischen Element (2) zu erfassen.
Partikelsensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Höhe des Hohlraums (5) zwischen der Lichtquelle (1) und dem optischen Element (2) mindestens 0,25 mm, insbesondere mindestens 0,45 mm beträgt.
Partikelsensor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei das optische Element (2) in einer Ebene angeordnet ist, die durch die Oberfläche des Halbleiterchips (4) definiert ist, in die der mindestens eine Photodetektor (3) integriert ist, oder wobei das optische Element (2) um nicht mehr als 1 mm aus der Oberfläche des Halbleiterchips (4) herausragt, in die der mindestens eine Photodetektor (3) integriert ist.
Partikelsensor nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei der mindestens eine Photodetektor (3) in einem Abstand von höchstens 2 mm von dem optischen Element (2) angeordnet ist, insbesondere, wobei der mindestens eine Photodetektor (3) seitlich neben dem optischen Element (2) angeordnet ist.
Partikelsensor nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei das optische Element (2) ein brechendes optisches Element, insbesondere eine brechende Linse (12; 15; 71; 72; 74), und/oder ein beugendes optisches Element (13; 73; 75) bildet.
Partikelsensor nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei das optische Element (2) ein Glasträgersubstrat (23) und eine optische Struktur, insbesondere eine Polymerlinse (15), umfasst, die auf dem Glasträgersubstrat (23) ausgebildet ist, vorzugsweise durch mindestens eines der folgenden Verfahren: Prägen und Photolithographie, wobei das Glasträgersubstrat (23) vorzugsweise eine Dicke von weniger als 1000 µm, insbesondere weniger als 750 µm, aufweist.
Partikelsensor nach einem der Ansprüche 3 bis 10, wobei der Halbleiterchip (4) einen CMOS-Schichtstapel (24) umfasst, und wobei das optische Element (2) eine Membran (22) umfasst, die aus einer oder mehreren Schichten des CMOS-Schichtstapels (24) besteht, wobei die Dicke der Membran vorzugsweise weniger als 20 µm, insbesondere weniger als 10 µm beträgt.
Partikelsensor nach Anspruch 11, wobei eine optische Struktur (71; 72; 73; 74; 75) auf der Membran (22) angeordnet ist, um das optische Element (2) zusammen mit der Membran (22) zu bilden, und/oder wobei die Membran (22) mindestens eine strukturierte CMOS-Schicht (76) zur Bildung des optischen Elements (2) umfasst.
Partikelsensor nach einem der Ansprüche 3 bis 12, ferner umfassend: - eine Blende (29), die durch eine Beschichtung auf dem optischen Element (2) gebildet wird, wobei die Blende (29) eine Öffnung für den Lichtstrahl (7) definiert; und/oder - eine Lichtbarriere (19) zwischen dem optischen Element (2) und dem mindestens einen Photodetektor (3), insbesondere eine Schwärzung oder Versilberung von Seitenwänden des optischen Elements (2), die dem mindestens einen Photodetektor (3) zugewandt sind, wobei die Schwärzung oder Versilberung vorzugsweise eine selektive Beschichtung umfasst, die nur mit Glas, nicht aber mit einem auf dem Glas angeordneten Polymer reagiert.
Partikelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Partikelsensor eine Vielzahl der Photodetektoren (3) umfasst, wobei die Photodetektoren (3) in einem Array angeordnet sind und/oder an verschiedenen Stellen um den Hohlraum (5), insbesondere um das optische Element (2), herum angeordnet sind, wenn der Partikelsensor nach einem der Ansprüche 3 bis 13 konfiguriert ist, vorzugsweise auf diametral gegenüberliegenden Seiten des Hohlraums (5), noch bevorzugter über mehrere Stellen entlang eines Umfangs des Hohlraums (5) verteilt.
Partikelsensor nach Anspruch 14, wobei auf der Oberfläche des Halbleiterchips (4), in die die Photodetektoren (3) integriert sind, die Photodetektoren (4) durch ein elektrisch leitendes Material (18), insbesondere durch eine Metallisierung des Substrats, voneinander getrennt sind, insbesondere dadurch, dass das elektrisch leitende Material (18) dazu ausgebildet ist, geerdet zu werden, um die Photodetektoren (3) vor elektromagnetischer Strahlung zu schützen.
Partikelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein optischer Filter (28) auf der Oberfläche des Halbleiterchips (4) angeordnet ist, in die der mindestens eine Photodetektor (3) integriert ist, wobei der optische Filter (28) den mindestens einen Photodetektor (3) abdeckt, wobei der optische Filter (28) so konfiguriert ist, dass er Licht mit Wellenlängen außerhalb eines Wellenlängenbandes zurückweist, das eine dominante Wellenlänge der Lichtquelle (1) enthält.
Partikelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der außerdem Folgendes umfasst: - eine Steuereinheit (27), die elektrisch mit dem mindestens einen Photodetektor (3) verbunden ist und dazu ausgebildet ist, Signale von dem mindestens einen Photodetektor (3) zu empfangen, die durch Licht (10) verursacht werden, das von partikelförmiger Materie (9) im Detektionsvolumen (8) gestreut wurde, und auf der Grundlage der Signale eine physikalische Größe zu bestimmen, die mit der partikelförmigen Materie (9) in Beziehung steht, wobei vorzugsweise zumindest ein Teil der Steuereinheit (27) in den Halbleiterchip (4) integriert ist, wobei die physikalische Größe vorzugsweise mindestens eine der folgenden Größen umfasst: Anzahlkonzentration, Größe der partikelförmigen Materie und Größenverteilung der partikelförmigen Materie.
Partikelsensor nach Anspruch 17, der ferner einen lichtempfindlichen Hilfsdetektor (25), insbesondere eine Hilfsphotodiode, umfasst, wobei der Hilfsdetektor (25) in den Halbleiterchip (4) integriert ist und dazu ausgebildet ist, Licht zu empfangen, das von der Lichtquelle (1) emittiert wurde und nicht durch partikelförmige Materie (9) im Detektionsvolumen (8) gestreut wurde, wobei die Steuereinheit (27) mit dem Hilfsdetektor (25) verbunden und dazu ausgebildet ist, eine optische Leistung der Lichtquelle (1) basierend auf Signalen des Hilfsdetektors (25) zu bestimmen, und wobei die Steuereinheit (27) dazu ausgebildet ist, die ermittelte optische Leistung bei der Bestimmung der physikalischen Größe, die mit der partikelförmigen Materie (9) in Beziehung steht, zu berücksichtigen oder die Lichtquelle (1) in Abhängigkeit von der ermittelten optischen Leistung zu steuern.
Partikelsensor nach Anspruch 18, wobei der Hilfsdetektor (25) so angeordnet ist, dass er Strahlung empfängt, die durch spontane Emissionen der Lichtquelle (1) verursacht ist, und/oder wobei der Partikelsensor ein optisches Element (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 13 umfasst und der Hilfsdetektor (25) angrenzend an das optische Element (2) angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, Streulicht von dem optischen Element (2) zu messen.
Partikelsensor nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die Photodetektoren (3) in einen ersten Teilbereich (81), der dem Detektionsvolumen (8) zugewandt ist, und einen zweiten Teilbereich (82), der gegen das von der partikelförmigen Materie (9) im Detektionsvolumen (8) gestreute Licht (10) abgeschirmt ist, unterteilt sind, wobei insbesondere der mindestens eine Photodetektor (3) im zweiten Teilbereich (82) von einer lichtundurchlässigen Schicht bedeckt ist, und wobei die Steuereinheit (27) dazu ausgebildet ist, eine differentielle Messung zwischen dem ersten Teilbereich (81) und dem zweiten Teilbereich (82) durchzuführen, wodurch störende Auswirkungen von elektromagnetischer Interferenz mit dem mindestens einen Photodetektor (3) aufgehoben werden.
Partikelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend ein lichtblockierendes Element (41), wobei das lichtblockierende Element (41) oberhalb der Oberfläche des Halbleiterchips (4), in die die Photodetektoren (3) integriert sind, derart angeordnet ist, dass das lichtblockierende Element (41) selektiv einen Teil eines oder mehrerer der Photodetektoren (3b) von Licht abschirmt, das von einem Partikel der partikelförmigen Materie im Detektionsvolumen (8) gestreut wurde, wobei dieser Teil von einem Abstand des Partikels von der Oberfläche des Halbleiterchips (4) abhängt, in die der mindestens eine Photodetektor (3) integriert ist, während ein oder mehrere andere Photodetektoren (3a) nicht durch das lichtblockierende Element (41) abgeschirmt sind, wobei vorzugsweise das lichtblockierende Element (41) durch eine asymmetrische Verlängerung des optischen Elements (2) gebildet wird.
Partikelsensor nach einem der Ansprüche 17 bis 20 in Verbindung mit Anspruch 21, wobei die Steuereinheit (27) dazu ausgebildet ist, ein Maß für den Abstand des Partikels von der Oberfläche des Halbleiterchips (4), in die der mindestens eine Photodetektor (3) integriert ist, zu bestimmen, indem sie Signale von Photodetektoren (3b), die teilweise durch das lichtblockierende Element (41) abgeschirmt sind, mit Signalen von Photodetektoren (3a), die nicht durch das lichtblockierende Element (41) abgeschirmt sind, vergleicht, und wobei die Steuereinheit (27) dazu ausgebildet ist, die ermittelte Entfernung bei der Bestimmung der physikalischen Größe, die mit der partikelförmigen Materie (9) in Beziehung steht, zu berücksichtigen.
Partikelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat aus dem Halbleiterchip (4) besteht.
Partikelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei das Substrat (60) einen Abstandshalter (61) umfasst, wobei der Halbleiterchip (4) mit dem Abstandshalter verbunden ist, und wobei der Hohlraum (5) sowohl in dem Abstandshalter (61) als auch in dem Halbleiterchip (4) ausgebildet ist.
Partikelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend ein Basissubstrat (6), wobei die Lichtquelle (1) auf dem Basissubstrat (6) angebracht ist, wobei das Substrat, in dem der Hohlraum (5) ausgebildet ist, auf dem Basissubstrat (6) angeordnet ist, wobei der Hohlraum (5) an seinem zweiten Ende zum Basissubstrat (6) hin offen ist, wobei sich das Basissubstrat (6) vorzugsweise in einer Ebene erstreckt, die parallel zur Oberfläche des Halbleiterchips (4) liegt, in die die Photodetektoren (3) integriert sind, und wobei das Basissubstrat (6) vorzugsweise ein Land Grid Array umfasst.
Partikelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlraum (5) seitlich durch Seitenwände (26) begrenzt ist, wobei die Seitenwände (26) durch das Substrat gebildet sind, wobei zumindest ein Teil der Seitenwände (26) durch den Halbleiterchip (4) gebildet ist, wobei optional jede Seitenwand mindestens einen geneigten Abschnitt aufweist, der relativ zur optischen Achse (20) geneigt ist.
Partikelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlraum (5) eine Symmetrieachse aufweist, wobei der Hohlraum (5) eine Rotationssymmetrie um die Symmetrieachse aufweist, wobei die Symmetrieachse senkrecht zur Oberfläche des Halbleiterchips (4) verläuft, in die die Photodetektoren (3) integriert sind.
Partikelsensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, außerdem aufweisend: eine lichtundurchlässige Beschichtung (51; 52), wobei die lichtundurchlässige Beschichtung mindestens eine Seitenwand (26) des Hohlraums (5) bedeckt, um zu verhindern, dass Licht von der Lichtquelle (1) den mindestens einen Photodetektor (3) durch die Seitenwand (26) erreicht, und/oder wobei die lichtundurchlässige Beschichtung eine Rückseite des Substrats oder des Halbleiterchips (4) bedeckt, wobei die Rückseite von der Oberfläche abgewandt ist, in die der mindestens eine Photodetektor (3) integriert ist, um zu verhindern, dass Umgebungslicht den mindestens einen Photodetektor (3) durch die Rückseite erreicht, wobei die lichtundurchlässige Beschichtung (51; 52) vorzugsweise eine Metallisierung und/oder eine Beschichtung umfasst, die durch ein Tintenstrahlverfahren aufgebracht wurde.
Partikelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtquelle (1) eine Laserdiode, insbesondere ein oberflächenemittierender Laser mit vertikaler Kavität (VCSEL), ist und/oder wobei eine Wellenlänge des Lichtstrahls (7) im Bereich von 500 nm bis 1100 nm, insbesondere zwischen 640 nm und 950 nm liegt.
Partikelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der außerdem eine Umhüllung (32) umfasst, die das Substrat seitlich umschließt, wobei die Umhüllung (32) aus einem Formmaterial hergestellt ist.
Partikelsensormodul, das Folgendes umfasst: - ein Gehäuse (92); - einen im Gehäuse (92) angeordneten Strömungskanal (97); - ein Gebläse (99) oder ein Heizelement (93), das im Gehäuse (92) angeordnet und so konfiguriert ist, dass es Luft durch den Strömungskanal (97) bewegt; und - den Partikelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der in dem Gehäuse (92) so angeordnet ist, dass der Strömungskanal (97) zumindest einen Teil des Detektionsvolumens (8) einschließt.