KR20210074201A - 광음향 센서를 위한 방출기 패키지 - Google Patents

광음향 센서를 위한 방출기 패키지 Download PDF

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Abstract

본 개시내용은 광음향 센서를 위한 방출기 패키지(100)에 관한 것이고, 방출기 패키지는 제1 파장 범위에서 펄스화된 적외선 방사를 방출하기 위한 MEMS 적외선 방사 소스(11)를 포함한다. MEMS 적외선 방사 소스(11)는 기판(10) 상에서 배열될 수 있다. 방출기 패키지(100)는 기판(10) 상에서 배열되고 MEMS 적외선 방사 소스(11)의 주연부를 횡방향으로 포위하는 강성 벽 구조체(12)를 더 포함할 수 있다. 방출기 패키지(100)는 강성 벽 구조체(12)에 부착되는 덮개 구조체(13)를 더 포함할 수 있고, 덮개 구조체(13)는 MEMS 적외선 방사 소스(11)로부터 방출된 적외선 방사를 필터링하고 감소된 제2 파장 범위에서 필터링된 적외선 방사를 제공하기 위한 필터 구조체(14)를 포함한다.

Description

광음향 센서를 위한 방출기 패키지{EMITTER PACKAGE FOR A PHOTOACOUSTIC SENSOR}
본 개시내용의 실시예들은 광음향 센서(photoacoustic sensor)를 위한 방출기 디바이스(emitter device)를 포함하는 패키지(package)에 관한 것이다. 일부 특정한, 그러나 비-제한적인 예들은 강성 벽 구조체(rigid wall structure) 및 벽 구조체에 부착되는 덮개 구조체(lid structure)를 포함하는 방출기 패키지를 지칭한다. 일부 실시예들에서, 덮개 구조체는 통합된 필터 구조체를 포함할 수 있다.
광 음향(photo acoustic)(PA) 효과는 음(sound)으로의 펄스화된 방사 에너지(pulsed radiation energy)의 변환에 기초한다. 광 음향 분광법(photo acoustic spectroscopy)(PAS) 개념들은 광음향 효과에 기초하여 가스들을 검출하기 위하여 이용될 수 있다. 펄스화된 방사(예컨대, 적외선(infrared): IR)는 적어도 하나의 피분석물(analyte), 즉, 예를 들어, CO2와 같은 검출되어야 할 적어도 하나의 가스를 함유하는 가스 또는 가스들의 혼합물을 포함하는 측정 챔버 내로 방출될 수 있다. 가스는 가스의 교대하는 국소적 가열을 야기시키는 방출된 펄스화된 방사의 에너지를 흡수할 수 있고, 이것은 음으로서 검출될 수 있는 압력파(pressure wave)를 생성하는 측정 챔버 내부의 열 팽창을 초래한다. 어떤 가스들은 특징적인 압력파 또는 음 프로파일을 생성하는, 상이한 파장들에서의 에너지를 흡수할 수 있다.
광 음향 분광법에서, 기밀 밀봉된 패키지(hermetically sealed package)들, 예컨대, 세라믹 패키지(ceramic package)들 및 금속 캔 패키지(metal can package)들은 애플리케이션의 수명 동안에 최소 적외선 신호 누설로 강성 패키지 아키텍처 및 높은 신뢰성을 제공하기 위하여 이용될 수 있다. 일부 광음향 센서들은 적외선 열 소스(heat source)로서의 MEMS 멤브레인, 및 방출된 방사에 대하여 투명한 덮개를 포함할 수 있다. 공지된 PAS 방출기 패키지들은 MEMS 멤브레인 내지 덮개 사이의 1 mm의 최소 거리를 갖는 깊은 공동(cavity)을 요구한다. 그러나, 이러한 깊은 공동을 갖는 세라믹 패키지의 가공 비용들은 전체 가스 센서 해결책의 비용 요건을 이행하기에 너무 높다. 금속 캔 패키지들에 관하여, 이것들은 그 제조에서 이용된 재료들 및 프로세스들로 인해 전형적으로 높은 비용이다. 그러나, 이러한 가스 센서 해결책의 비용들은 예컨대, 사파이어 유리 윈도우(sapphire glass window)를 갖는 고가의 금속 캔이 이용될 경우에 경쟁력이 없을 것이다.
몰딩된 QFN 패키지들(Quad Flat No-lead package)(쿼드 플랫 무연 패키지)은 합리적인 비용을 갖는 공동 해결책을 제공한다. 그러나, 리드프레임(leadframe)과 몰드 화합물(mold compound) 사이의 계면에서의 크랙킹(cracking)으로 인해 잠재적인 신뢰성 쟁점이 있다. 광대역 비필터링된 IR 신호(broadband unfiltered IR signal)는 크랙을 통해 누설될 수 있다. 추가적으로, 사전-몰딩된 공동(pre-moulded cavity)으로의 와이어 본딩(wire bonding)은 와이어 본딩 헤드를 수용하기 위하여 방출기 다이(emitter die)와 공동 측벽 사이의 공간을 요구한다. 이 공간은 와이어 본딩 동안에 헤드가 공동의 벽들과 접촉하는 것을 방지하기 위하여 요구되고, 더 큰 패키지 풋프린트(package footprint)로 귀착된다. 또한, 무취(odourless) 및 무색(colourless)의 CO2와 같은 가스들을 모니터링하기 위한 기존의 해결책들은 대형이고 고가이거나, 광범위한 채택을 위하여 간단하게 충분히 양호하지 않다.
이에 따라, 방출기 패키지가 작고, 견고하고, 신뢰성 있고, 동시에, 낮은 비용으로 생산가능한, 광음향 센서 및 광음향 센서를 위한 방출기 패키지를 제공하는 것이 바람직하다.
그러므로, 독립 청구항 제1항의 피처들을 포함하는 광음향 센서를 위한 방출기 패키지를 제공하는 것이 제안된다.
본 개시내용의 양태에 따르면, 방출기 패키지는 제1 파장 범위에서 펄스화된 적외선 방사를 방출하기 위한 MEMS 적외선 방사 소스(MEMS infrared radiation source)를 포함할 수 있다. MEMS 적외선 방사 소스는 기판 상에서 배열될 수 있다. 방출기 패키지는 기판 상에서 배열되는 강성 벽 구조체를 더 포함할 수 있다. 강성 벽 구조체는 MEMS 적외선 방사 소스의 주연부(periphery)를 횡방향으로 포위할 수 있다. 방출기 패키지는 벽 구조체에 부착되는 덮개 구조체를 더 포함할 수 있다. 덮개 구조체는 MEMS 적외선 방사 소스로부터 방출된 적외선 방사를 필터링함으로써, 감소된 제2 파장 범위에서 필터링된 적외선 방사를 제공하기 위한 필터 구조체를 포함할 수 있다.
일부 비-제한적인 예들, 변동들, 및 실시예들은 종속 청구항들에서 정의된다.
다음에서, 본 개시내용의 실시예들은 도면들을 참조하여 더 상세하게 설명되고:
도 1a는 실시예에 따른 방출기 패키지의 측단면도의 개략적인 블록도를 도시하고,
도 1b는 실시예에 따른 방출기 패키지의 개략적인 상면도를 도시하고,
도 2는 실시예에 따른, 필터 구조체 및 임의적인 반사 방지 코팅을 포함하는 덮개 구조체의 섹션의 개략적인 측단면도를 도시하고,
도 3a는 실시예에 따른 강성 벽 구조체의 개략적인 사시도를 도시하고,
도 3b는 실시예에 따른 방출기 패키지의 사시도를 도시하고,
도 3c는 실시예에 따른 방출기 패키지의 개략적인 단면도를 도시하고,
도 4a는 기판 상에서 장착된 MEMS 적외선 방출기의 개략적인 사시 상면도를 도시하고,
도 4b는 실시예에 따른 방출기 패키지의 사시 하면도를 도시하고,
도 4c는 실시예에 따른 방출기 패키지의 사시 상면도를 도시하고,
도 5a 내지 도 5h는 실시예에 따른 방출기 패키지를 조립하는 방법을 도시하고,
도 6은 덮개 구조체가 강성 벽 구조체 상으로 장착되기 전의, 실시예에 따른 방출기 패키지의 개략적인 단면도를 도시하고, 그리고
도 7은 실시예에 따른 광음향 센서의 개략적인 측면도를 도시한다.
동일하거나 동등한 엘리먼트들, 또는 동일하거나 동등한 기능성을 갖는 엘리먼트들은 동일하거나 동등한 참조 번호들에 의해 다음의 설명에서 나타내어진다.
블록도에 의해 도시되고 상기 블록도를 참조하여 설명되는 방법 단계들은 도시된 그리고/또는 설명된 순서와는 상이한 순서로 또한 실행될 수 있다. 또한, 디바이스의 특정한 피처에 관한 방법 단계들은 상기 디바이스의 상기 피처로 대체가능할 수 있고, 그 반대도 가능하다.
도 1a는 실시예에 따른 방출기 패키지(100)의 개략적인 측면도를 도시하고, 도 1b는 방출기 패키지(100)의 개략적인 상면도를 도시한다.
방출기 패키지(100)는 제1 파장 범위에서 펄스화된 적외선 방사(20)를 방출하기 위한 MEMS 적외선 방사 소스(11)를 포함할 수 있다. 따라서, 적외선 방사 소스(11)는 MEMS 적외선 방출기(11)로서 또한 지칭될 수 있다. MEMS 적외선 방출기(11)는 광대역 적외선 신호(20)를 방출하도록 구성될 수 있다.
이 개시내용에서, 광대역 적외선 방사는 780 nm 초과, 예컨대, 780 nm 내지 1 mm 사이, 그리고 바람직하게는, 780 nm 내지 100 μm 사이, 또는 780 nm 내지 10 μm 사이인 파장들을 포함할 수 있다. MEMS 적외선 방사 소스(11)는 전술한 파장 범위들에서 적외선 방사(20)를 방출하도록 구성될 수 있다.
MEMS 적외선 방사 소스(11)는 기판(10) 상에서 배열될 수 있다. 기판(10)은 예를 들어, 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board)(PCB)과 같은 라미네이트 기판(laminate substrate)일 수 있다. 그러나, 전도 재료들, 반전도 재료들, 또는 절연 재료들을 포함하는 기판들과 같은 다른 유형들의 기판들이 가능할 수 있다.
방출기 패키지(100)는 기판(10) 상에서 배열되는 강성 벽 구조체(12)를 포함할 수 있다. 강성 벽 구조체(12)는 MEMS 적외선 방사 소스(11)의 주연부 주위에서 배열될 수 있거나, 또는 다시 말해서, 강성 벽 구조체(12)는 MEMS 적외선 방사 소스(11)를 횡방향으로 포위할 수 있다. 강성 벽 구조체(12)는 MEMS 적외선 방사 소스(11)와 직접적으로 접촉할 수 있거나, 이로부터 거리가 두어질 수 있으며, 즉, 접촉하지 않을 수 있다. 예를 들어, 도 1a에서 도시된 바와 같이, 강성 벽 구조체(12)는 MEMS 적외선 방사 소스(11)로부터 횡방향으로 그리고/또는 수직으로 거리가 두어질 수 있다.
따라서, 강성 벽 구조체(12)는 MEMS 적외선 방사 소스(11)를 실장하거나 패키징하기 위한 하우징 또는 패키지의 적어도 횡방향으로 포위하는 부분을 제공할 수 있다. 수직 거리는 1 mm 이상일 수 있고, 이것은 도 6 및 도 7을 참조하여 어느 정도 더 이후에 더 상세하게 설명될 것이다.
강성 벽 구조체(12)는 MEMS 적외선 방사 소스(11)에 의해 방출되는 방출된 적외선 방사(20)에 대하여 (예컨대, 적어도 95 % 이상만큼) 비-투명(non-transparent)하거나 또는 불투명(opaque)할 수 있다. 따라서, 강성 벽 구조체(12)는 방출된 광대역 적외선 방사(20)가 패키지의 외부로 방사하는 것을 실질적으로 차폐할 수 있다. 강성 벽 구조체(12)는 갭 없는 방식(gapless manner)으로, 즉, 방출된 광대역 적외선 방사(20)가 그렇지 않을 경우에 이를 통해 탈출할 수 있는, 강성 벽 구조체(12)와 기판(10) 사이의 임의의 실질적인 갭들 없이, 기판(10) 상에서 배열될 수 있고, 예컨대, 장착될 수 있다. 그러므로, 임의적인 밀봉재(sealant)는 강성 벽 구조체(12)와 기판(10) 사이의 전이부에서 제공될 수 있다. 밀봉재는 예를 들어, 적절한 본딩 수단(53), 예컨대, 접착제 또는 아교(glue)를 통해 제공될 수 있다(도 5g 참조).
방출기 패키지(100)는 강성 벽 구조체(12)에 부착되는 덮개 구조체(13)를 더 포함할 수 있다. 덮개 구조체(13)는 감소된 제2 파장 범위를 갖는 필터링된 적외선 방사(30)를 제공하기 위하여, MEMS 적외선 방사 소스(11)로부터 방출된 광대역 적외선 방사(20)를 필터링하기 위한 필터 구조체(14)를 포함할 수 있다.
필터 구조체(14)는 도 1a에서 예시적으로 도시된 바와 같이, 덮개 구조체(13)에서 내장될 수 있다. 대안적으로, 필터 구조체(14)는 덮개 구조체(13)의 하단 면 상에서, 즉, MEMS 적외선 방사 소스(11) 향해 대면하는 덮개 구조체(13)의 면 상에서 배열될 수 있다(도 2 및 도 6 참조). 또한 대안적으로, 필터 구조체(14)는 덮개 구조체(13)의 상단 면 상에서, 즉, MEMS 적외선 방사 소스(11)로부터 멀어지게 대면하는 덮개 구조체(13)의 면 상에서 배열될 수 있다.
전술된 바와 같이, MEMS 적외선 방사 소스(11)는 제1 광대역 파장 범위에서 광대역 적외선 방사 신호(20)를 방출할 수 있다. 필터 구조체(14)는 제1 광대역 파장 범위와 비교하여 감소된 제2 파장 범위에서, 방출된 광대역 적외선 방사(20), 즉, 필터링된 적외선 방사(30)의 오직 일부들을 통과시키도록 허용할 수 있다. 예를 들어, 필터 구조체(14)는 검출될 피분석물에 의해 흡수될 수 있는 어떤 파장들이 통과하는 것을 오직 허용할 수 있다. 예를 들어, CO2가 검출될 경우에, 필터 구조체(14)는 대략 ~ 4.2 μm의 파장에서의 적외선 방사(30)가 통과하는 것을 오직 허용할 수 있고, 이것은 상기 파장이 CO2 분자들에 독특한 흡수 피크(absorption peak)에 대응하기 때문이다. 이에 따라, 더 일반적인 의미에서, 필터 구조체(14)는 방출된 적외선 방사(20)의 미리 결정된 부분(30)이 통과하는 것을 오직 허용할 수 있고, 상기 미리 결정된 부분(30)은 ± 10 %의 공차(예컨대, ~ 4.2 μm ± 10 %), 또는 15 %의 공차, 또는 20 %의 공차를 갖는 미리 결정된 파장을 포함할 수 있다.
도 2는 비-제한적인 예에 따른 덮개 구조체(13)의 오직 섹션의 단면도를 도시한다(축척에 맞게 그려지지 않음). 덮개 구조체(13)는 다이(die), 예를 들어, 벌크 실리콘(bulk silicon)으로서 또한 지칭될 수 있는 덮개 기판 부분(13a)을 포함할 수 있다. 덮개 기판 부분(다이)(13a)은 예시적으로 도시된 바와 같이, 100 μm 내지 1000 μm 사이, 예를 들어, 650 μm의 두께를 포함할 수 있다. 덮개 구조체(13)는 덮개 기판 부분(13a)의 제1 면(예컨대, 도 2에서의 하단 면)에서, 예컨대, 조립된 상태에서 MEMS 적외선 방사 소스(11)를 향해 대면하는 덮개 기판 부분(13a) 또는 덮개 구조체(13)의 면에서 배열될 수 있는 필터 구조체(14)를 포함할 수 있다.
필터 구조체(14)는 서로 상단(atop)에 교대로 배열되는 2 개 이상의 층들(21, 22)을 포함하는 필터 적층체(filter stack)를 포함할 수 있거나, 이 필터 적층체로서 제공될 수 있다. 도 2는 비-제한적인 예로서, 실리콘 옥사이드(silicon oxide)(SiO)를 포함하는 제1 층(21), 및 비정질 실리콘(amorphous silicon)(a-Si)을 포함하는 제2 층(22)을 도시한다. 물론, 다른 적당한 재료들이 가능할 수 있다. 그러나, 하나가 다른 것 상단에 교대로 배열되는 복수의 제1 층들(21) 및 복수의 제2 층들(22)을 포함하는 층 적층체를 포함하는 이러한 배열은 특정한 가스를 검출하기 위하여 적당한 파장에서 오직 적외선 방사를 통과시키기 위한 가스 필터 적층체로서 적당할 수 있다. 다시 말해서, 필터 구조체(14)는 특정한 타겟 가스를 검출하기 위하여 적당한 파장을 포함하는 오직 적외선 방사를 통과시키도록 구성될 수 있다. CO2의 비-제한적인 경우에, 예컨대, 필터 구조체(14)는 대략 ~4.2 μm ± 10 %의 파장을 포함하는 오직 적외선 방사를 통과시키도록 구성될 수 있다.
임의적으로, 덮개 구조체(13)는 반사 방지 코팅(anti reflective coating)(ARC)(15)을 포함할 수 있다. 반사 방지 코팅(15)은 즉, 필터 구조체(14)와 반대인, 덮개 기판 부분(13a)의 반대의 제2 면(예컨대, 도 2에서의 상단 면)에서, 예컨대, MEMS 적외선 방사 소스(11)로부터 멀어지게 대면하는 덮개 구조체(13)의 면에서 배열될 수 있다. 위에서 설명된 필터 구조체(14)와 유사하게, 반사 방지 코팅(15)은 서로 상단에 교대로 배열되는 2 개 이상의 층들(21, 22)을 포함하는 층 적층체를 포함할 수 있다. 도 2는 비-제한적인 예로서, 실리콘 옥사이드(SiO)를 포함하는 제1 층(21), 및 비정질 실리콘(a-Si)을 포함하는 제2 층(22)을 도시한다. 물론, 다른 적당한 재료들이 가능할 수 있다. 따라서, 반사 방지 코팅(15)은 하나가 다른 것의 상단에 교대로 배열되는 복수의 제1 층들(21) 및 복수의 제2 층들(22)을 포함하는 층 적층체를 포함할 수 있다.
필터 적층체(14) 및/또는 반사 방지 코팅(15)에서의 제1 및 제2 층들(21, 22)은 원하는 특성들, 예를 들어, 필터 구조체(14)에 의해 필터링되어야 할 원하는 파장들에 따라서, 동일한 또는 상이한 재료들을 포함할 수 있다.
따라서, MEMS 적외선 방사 소스(11)로부터 방출되는 광대역 적외선 신호(20)는 덮개 구조체(13), 더 상세하게는, 필터 구조체(14), 덮개 기판 부분(13a), 및 임의적으로 이용가능한 반사 방지 코팅(15)을 통과할 수 있다. 필터 구조체(14)는 제1 광대역 파장과 비교하여 더 좁은 제2 파장을 포함하는 필터링된 적외선 방사(30)를 생성하기 위하여, MEMS 적외선 방사 소스(11)로부터 방출되는 광대역 적외선 신호(20)를 필터링한다. 임의적으로 이용가능한 반사 방지 코팅(15)은 적외선 신호 스루풋(throughput)을 약 90 %로 증가시킬 수 있다.
요약하면, (예컨대, 실리콘을 포함하는) 덮개 구조체(13)는 다이(13a)의 전방 면 상의 (예컨대, CO2를 위하여 적당한) 필터 적층체(14), 및 다이(13a)의 반대 후면 상의 ARC(반사-방지 코팅)(15)를 포함할 수 있다. 필터 적층체(14)는 미리 결정된 파장을 갖는 적외선 신호가 예컨대, CO2의 경우에, ~ 4.2 μm의 파장을 통과시키는 것을 오직 허용할 수 있다. 일반적으로, 상기 미리 결정된 파장은 예를 들어, CO2와 같은, 피분석물, 예컨대, 검출되어야 할 타겟 가스의 분자들에 독특한 흡수 피크에 대응할 수 있다.
물론, CO2는 비-제한적인 예로서 본원에서 오직 언급된다. 덮개 구조체(13) 및 필터 구조체(14)는 대응하는 필터 응답이 CO2와 상이한 다른 피분석물들(예컨대, 가스들)을 여기/검출하기 위하여 적당한 파장들을 통과하는 것을 허용할 수 있도록 구성될 수 있다. 이 다른 피분석물들은 예를 들어, 메탄, CO, 및 휘발성 유기 화합물(volatile organic compound)(VOC)들 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전술된 바와 같이, 방출기 패키지(100)는 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 이하에서 더 상세하게 설명될 강성 벽 구조체(12)를 포함할 수 있다. 도 3a는 사시도로부터 강성 벽 구조체(12)의 예를 도시하고, 도 3b는 상기 강성 벽 구조체(12)를 포함하는 조립된 방출기 패키지(100)를 도시하고, 도 3c는 강성 벽 구조체(12)를 포함하는 조립된 방출기 패키지(100)의 측단면도를 도시한다.
강성 벽 구조체(12)는 내부에서 공동 부분(31)을 포함하는 직사각형, 그리고 특히, 정사각형-형상의 밀폐부 또는 공동 구조체를 형성하는 4 개의 인접한 벽 부분들(12a, 12b, 12c, 12d)을 포함할 수 있다. 인접한 벽 부분들(12a, 12b, 12c, 12d)은 수직 또는 직립 벽 부분들로서 또한 지칭될 수 있다. 벽 구조체(12)는 도시된 것과는 상이한 수의 인접한 벽 부분들(12a, 12b, 12c, 12c) 및/또는 상이한 기하학적 형상을 포함할 수 있다. 강성 벽 구조체(12)는 상단이 없고 그리고/또는 하단이 없을 수 있고, 즉, 벽 부분들(12a, 12b, 12c, 12d)은 독립적(freestanding)이거나 자립적(self-supporting)일 수 있다.
강성 벽 구조체(12)는 기판(10)과 대면하는 하단 벽 부분(12f)을 더 포함할 수 있다. 따라서, 강성 벽 구조체(12)는 그 하단 벽 부분(12f)에서 기판(10) 상으로 장착될 수 있다. 강성 벽 구조체(12)는 기판(10)으로부터 멀어지게 대면하는 상단 벽 부분(12e)을 더 포함할 수 있다. 덮개 구조체(13)는 상기 상단 벽 부분(12e) 상에서 배열될 수 있다.
도 3b에서 보여질 수 있는 바와 같이, 강성 벽 구조체(12)는 그 하단 벽 부분(12f)에서 기판(10) 상에서 배열될 수 있고, 동일한 기판(10) 상에서 또한 배열될 수 있는 MEMS 적외선 방사 소스(11)를 횡방향으로 포위할 수 있다. 다시 말해서, 강성 벽 구조체(12)는 MEMS 적외선 방사 소스(11)의 주연부 주위에 배열될 수 있다. 따라서, MEMS 적외선 방사 소스(11)는 인접한 수직 벽 부분들(12a, 12b, 12c, 12d)에 의해 형성된 공동(31) 내부에서 배치될 수 있다.
강성 벽 구조체(12)는 기판(10)으로부터 수직으로 측정된 높이 h를 포함할 수 있다. 강성 벽 구조체(12)의 높이 h는 MEMS 적외선 방사 소스(11)의 높이보다 더 클 수 있다. 따라서, 조립된 상태에서, 강성 벽 구조체(12)는 기판(10)으로부터 장착된 MEMS 적외선 방사 소스(11)보다 더 큰 정도로 돌출할 수 있다.
필터 구조체(14)를 포함하는 덮개 구조체(13)는 기판(10)과 반대인 강성 벽 구조체(12)의 부분 상에서, 즉, 기판(10)으로부터 멀어지게 대면하는 강성 벽 구조체(12)의 상단 벽 부분(12e) 상에서 장착될 수 있다. 따라서, 강성 벽 구조체(12), 및 필터 구조체(14)를 포함하는 그 상에서 배열된 덮개 구조체(13)는 모두 함께, MEMS 적외선 방사 소스(11)가 배열되는 공동(31)을 제공할 수 있다.
방출기 패키지(100)의 조립 프로세스에서, (예컨대, CO2 필터 적층체를 갖는) 필터 구조체(14)를 포함하는 덮개 구조체(13)는 강성 벽 구조체(12)의 상단 상에서 직접적으로, 즉, 상단 벽 부분(12e)의 평면 표면들 상에서 본딩될 수 있다(도 4c 및 도 5f 참조). 덮개 구조체(13)와 강성 벽 구조체(12) 사이, 및/또는 강성 벽 구조체(12)와 기판(10) 사이의 계면에서의 본드 라인 두께(bond line thickness)를 보장하기 위하여, 리세스 구조체(recess structure)가 강성 벽 구조체(12)의 상단 및 하단 면 중의 적어도 하나 상에서 제공될 수 있다.
도 3a의 도시된 비-제한적인 예에서, 강성 벽 구조체(12)는 기판(10)으로부터 멀어지게 대면하는 상단 벽 부분(12e)에서 제공되는 리세스 구조체(33)를 포함할 수 있다. 리세스 구조체(33)는 인접한 수직 벽 부분들(12a, 12b, 12c, 12d)의 각각의 상단에서 배열될 수 있다. 리세스 구조체(33)는 인접한 벽 부분들(12a, 12b, 12c, 12d)의 상단 벽 부분(12e)을 따라 연속적으로 제공될 수 있다. 비-제한적인 예로서 도 3a에서 도시된 바와 같이, 리세스 구조체(33)는 횡방향 내부 원주 부분(lateral inner perimeter portion)이 공동(31)과 대면하는, 상단 벽 부분(12e)의 횡방향 내부 원주 부분을 따라 제공될 수 있다. 도 3b에서 보여질 수 있는 바와 같이, 덮개 구조체(13)는 그 다음으로, 상기 리세스 구조체(33) 내부에서 배치될 수 있다. 그러므로, 리세스 구조체(33)의 외부 횡방향 치수들은 덮개 구조체(13)가 바람직하게는, 임의의 실질적인 간극(clearance) 없이 리세스 구조체(33) 내로 끼워질 수 있도록, 덮개 구조체(13)의 외부 횡방향 치수들에 실질적으로 대응할 수 있다.
전술된 바와 같이, 강성 벽 구조체(12)는 MEMS 적외선 방사 소스(11)에 의해 방출되는 광대역 적외선 방사(20)에 대하여 불투명(예컨대, 적어도 95 %까지)하거나 또는 비-투명할 수 있다. 그러나, 전술된 바와 같이, 필터 구조체(14)를 포함하는 덮개 구조체(13)는 MEMS 적외선 방사 소스(11)에 의해 방출되는 방출된 적외선 방사(20)에 대하여 적어도 부분적으로 투명할 수 있다. 따라서, 강성 벽 구조체(12), 및 필터 구조체(14)를 포함하는 덮개 구조체(13)는 모두 함께, 덮개 구조체(13)가 방출된 적외선 방사(20)의 적어도 부분적인 투과를 제공하는 상단 벽 부분(12e) 상에서 장착되는 것을 제외하고는, 방출된 적외선 방사(20)에 대하여 횡방향으로 비-투명한 방출기 패키지(100)를 제공할 수 있다.
도 3c는 측단면도로 조립된 방출기 패키지(100)를 도시한다. MEMS 적외선 방사 소스(11)는 강성 벽 구조체(12)의 인접한 수직 벽 부분들(12a, 12b, 12c, 12d)에 의해 형성된 공동(31) 내부에서 배열된다. 따라서, 인접한 수직 벽 부분들(12a, 12b, 12c, 12d)은 MEMS 적외선 방사 소스(11)를 횡방향으로 포위할 수 있거나, 또는 다시 말해서, 인접한 수직 벽 부분들(12a, 12b, 12c, 12d)은 MEMS 적외선 방사 소스(11)의 주연부 주위에서 배열될 수 있다. 필터 구조체(14)를 포함하는 덮개 구조체(13)는 위에서 설명된 바와 같이, 상단 벽 부분(12f) 상에서, 예컨대, 적어도 부분적으로 리세스 구조체(33) 내부에서 장착될 수 있다.
여기에서 상세하게 보여질 수 있는 바와 같이, 리세스 구조체(33)는 고립 피처(standoff feature)(34)를 임의적으로 포함할 수 있다. 이 고립 피처(34) 또는 고립 구조체는 리세스 구조체(33)의 횡방향 내부 원주 부분(즉, 공동(31)을 향해 대면하는 내부 원주 부분)에서 제공될 수 있다. 예를 들어, 고립 피처(34)는 리세스 구조체(33)의 횡방향 내부 원주 부분에서 연속적으로 제공될 수 있다. 고립 구조체(34)는 리세스 구조체(33)의 하단(35)으로부터 고립될 수 있다. 즉, 상단 벽 부분(12e)과 고립 구조체(34) 사이의 거리 d1은 상단 벽 부분(12e)과 리세스 구조체(33)의 하단 부분(35) 사이의 거리 d2보다 더 작다. 고립 구조체(34)는 덮개 구조체(13)를 벽 구조체(12)에 본딩하기 위하여 이용된 재료, 예컨대, 접착제가 덮개 구조체(13)를 장착할 때에 공동(31) 내부의 MEMS 적외선 방사 소스(11)를 향해 횡방향으로 내향으로 유동하는 것을 방지하기 위하여 특히 유용하다.
강성 벽 구조체(12)에서 제공된 추가의 임의적인 리세스 구조체(33)는 방출기 패키지(100)의 신뢰성을 추가로 개선하기 위하여 도입될 수 있다. 리세스 구조체(33)는 필터 구조체(14)를 포함하는 덮개 구조체(13)의 면 주위에서 양호한 기계적 밀봉을 가능하게 한다. 상단 벽 부분(12e) 상의 고립 피처(34)는 덮개/필터 부착 접착제의 원하는 본드 라인 두께를 보장하고, 덮개/필터 부착 접착제가 MEMS 적외선 방사 소스(11)를 향해 공동(31) 내로 유동하는 것을 정지시킨다.
추가적으로 또는 대안적으로, 위에서 설명된 것과 유사한 고립 피처(명시적으로 도시되지 않음)는 강성 벽 구조체(12)의 하단 벽 부분(12f) 상에서 제공될 수 있다. 이러한 고립 피처는 강성 벽 구조체(12)를 기판(10) 상으로 부착하거나 본딩할 때에 본드 라인 두께를 보장할 수 있다.
요약하면, 방출기 패키지(100)는 덮개 구조체(13)를 고정적으로 매달기 위하여 충분히 높은 강성도(rigidity)를 가지는 강성 벽 구조체(12)를 포함할 것이다. 또한, 강성 벽 구조체는 크랙들을 당하기 쉽지 않을 것이다. 여전히 또한, 강성 벽 구조체(12)는 MEMS 적외선 방출기(11)에 의해 방출되는 방출된 광대역 적외선 방사(20)에 불투명하거나 비-투명할 것이다. 또한, 강성 벽 구조체(12)는 덮개 구조체(13)의 용이하고 고정적인 부착 뿐만 아니라, 기판(10) 상에서의 벽 구조체(12) 자체의 용이하고 고정적인 부착을 허용하는 재료를 포함할 것이다. 모든 이러한 요건들을 이행하기 위하여, 강성 벽 구조체(12)는 액정 폴리머(Liquid Crystal Polymer)(LCP)를 포함할 수 있거나, 액정 폴리머(LCP)로 이루어질 수 있다.
LCP와 비교하여 유사한 기계적 및 광학적 성능을 가지는 다른 몰드 화합물들이 이용될 수 있지만, LCP는 이것이 기존의 해결책들과 비교하여 상당히 더 작은 풋프린트를 가지는 방출기 패키지(100)를 (이미 전술된 장점들 외에도) 허용할 것이기 때문에 선호될 수 있다. 방출기 패키지(100)의 풋프린트 또는 패키지 윤곽 치수들은 비-제한적인 예로서, (± 0.1 mm 공차를 갖는) 4 × 4 × 2.3 mm일 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 본원에서 설명된 혁신적인 원리에 따른 이러한 작은 방출기 패키지(100)를 조립하는 예를 도시한다. 도 4a는 기판(10) 상으로 장착된 MEMS 다이(11)를 도시한다. 기판(10)은 MEMS 적외선 방사 소스(11)가 그 상에서 장착되는 제1(상단) 면(10a), 및 반대의 제2(하단) 면(10b)을 포함할 수 있다. 도 4a는 MEMS 다이 표면 상의 전극들을 기판(10)에, 예컨대, 기판(10)의 제1 면(10a)에 접속하는 와이어본드(wirebond)들(42)을 또한 도시한다.
기판(10)은 예를 들어, 하나 이상의 전기적 접촉 영역들(41)을 가지는 라미네이트 기판, 예컨대, PCB일 수 있다. MEMS 적외선 방사 소스(11)는 본드 와이어들(42)에 의해, 예컨대, 금 와이어 본드(gold wire bond)들에 의해 상기 전기적 접촉 영역들(41)에 접속될 수 있다. 따라서, 이 예시적인 방출기 패키지(100)는 MEMS 히터 다이 또는 MEMS 적외선 방사 소스(11), 하나 이상의 금 와이어 본드들(42), 라미네이트 기판(10), 바람직하게는, LCP를 포함하거나 LCP로 이루어지는 강성 벽 구조체(12), 및 예컨대, 실리콘을 포함하거나 실리콘으로 이루어지는 조합된 필터 덮개(13, 14)를 포함할 수 있다.
도 4b는 방출기 패키지(100)의 하면도를 도시한다. 기판(10)은 방출기 패키지(100)를 캐리어 기판(carrier substrate), 예컨대, 시스템 또는 컴포넌트 보드(도시되지 않음) 상으로 부착하고 접촉시키기 위한 하단 면(10b) 상의 전술된 하나 이상의 전기적 접촉 영역들(41)을 포함한다. (LCP) 벽 구조체(12)는 그 상단 면(10a)에서 라미네이트 기판(10)의 솔더 마스크(solder mask) 상에서 본딩될 수 있다.
도 4c는 방출기 패키지(100)의 상면도를 도시한다. 이 비-제한적인 예에서, 벽 구조체(12)는 위에서 논의된 리세스 구조체(33)를 포함하지 않을 수 있다. 그 대신에, 강성 벽 구조체(12)의 상단 벽 부분(12e)은 실질적으로 평면일 수 있다. 필터 구조체(14)를 포함하는 덮개 구조체(13)는 상기 평면 상단 벽 부분(12e) 상으로 직접적으로 본딩될 수 있다.
따라서, (실리콘) 필터 덮개 구조체(13, 14)는 위에서 설명된 바와 같이, 밀봉된 공동(31)을 생성하기 위하여 (LCP) 벽 구조체(12)의 상단 상에서 본딩될 수 있다. 동작 시에, MEMS 적외선 방사 소스(11)는 (실리콘) 필터 덮개 구조체(13, 14)를 향해 통행하는 광대역 IR 신호(30)를 방출할 수 있고, 광대역 IR 신호(30)는 제1 광대역 파장을 포함할 수 있다. 필터 덮개 구조체(13, 14)는 감소된 미리 결정된 제2 파장, 예컨대, CO2의 비-제한적인 예에서, 대략 ~ 4.2 μm의 파장을 가지는 광대역 IR 신호(20)의 부분을 오직 통과시킬 수 있다. 전술된 바와 같이, 필터 구조체(14)는 다른 가스들을 검출하기 위하여 요구된 광의 다른 파장들을 선택적으로 통과시키도록 수정될 수 있다.
도 5a 내지 도 5h는 본원에서 설명된 혁신적인 원리에 따른 방출기 패키지(100)를 제조하고 조립하는 예시적인 그리고 비-제한적인 프로세스의 단일 단계들을 도시한다.
도 5a에서, 기판(10), 예컨대, PCB 등과 같은 라미네이트 기판이 제공될 수 있다.
도 5b에서, MEMS 적외선 방출기(11)를 기판(10) 상으로 본딩하기 위한 본딩 수단(51), 예컨대, 접착제는 기판의 제1(상단) 면(10a) 상의 미리 결정된 부분에서 제공될 수 있다.
도 5c에서, MEMS 적외선 방출기(11)는 본딩 수단(51)을 포함하는 기판(10)의 상기 미리 결정된 부분 상으로 본딩될 수 있다.
도 5d에서, MEMS 적외선 방출기(11)는 전기적 전도체들에 의해, 예컨대, 본드 와이어들(42)에 의해 전용 전기적 접촉 영역들(41)과 전기적으로 접촉될 수 있다.
도 5e에서, 강성 벽 구조체(12)가 제공될 수 있다. 필터 구조체(14)를 포함하는 덮개 구조체(13)를 본딩하기 위한 본딩 수단(52), 예컨대, 접착제는 강성 벽 구조체(12)의 상단 벽 부분(12e)에서 제공될 수 있다. 이 비-제한적인 예에서, 상단 벽 부분(12e)은 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이 평면일 수 있다. 대안적으로, 상단 벽 부분(12e)은 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 리세스 구조체(33)(및 임의적으로 고립 구조체(34))를 포함할 수 있다. 이 경우에, 본딩 수단(52)은 리세스 구조체(33) 내부에서 제공될 것이다.
도 5f에서, 필터 구조체(14)를 포함하는 덮개 구조체(13)는 본딩 수단(52)에 의해 상단 벽 부분(12e) 상으로 본딩될 수 있다.
도 5g에서, 본딩 수단(53)은 강성 벽 구조체(12)를 기판(10)과 본딩하기 위하여, 기판(10)의 제1(상단) 면(10a)에서 횡방향 외부 원주 부분들을 따라 제공될 수 있다.
도 5h에서, 그 상에서 배열된 덮개/필터 구조체(13, 14)를 가지는 강성 벽 구조체(12)는 기판(10)의 횡방향 외부 원주 부분들 상에서 제공되는 적당한 본딩 수단(53), 예컨대, 접착제 또는 아교에 의해 기판(10)과 본딩될 수 있다. 특히, 강성 벽 구조체(12)의 하단 벽 부분(12f)은 기판(10)의 제1(상단) 면(10a) 상에서 배열된 본딩 수단(53)에 부착될 수 있다.
도 6은 본원에서 설명된 혁신적인 원리에 따른 방출기 패키지(100)의 추가의 예를 도시한다. 도 6은 필터 구조체(14)를 포함하는 덮개 구조체(13)가 강성 벽 구조체(12)와 어떻게 본딩될 수 있는지에 대한 하나의 비-제한적인 예를 도시한다.
위에서 이전에 설명된 바와 같이, 덮개 구조체(13)는 덮개 기판(13a), 예컨대, 벌크 실리콘을 포함할 수 있다. 실리콘은 강성 벽 구조체(12)가 LCP를 포함하거나 LCP로 이루어질 경우에 LCP와의 양호한 본딩 능력을 포함할 수 있다. 그러나, 추가적으로 또는 대안적으로, 덮개 기판(13a)은 LCP와의 양호한 본딩 능력을 또한 가질 수 있는 실리콘 이외의 재료들을 포함할 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 필터 구조체(14)는 덮개 기판(13a) 상에서, 예컨대, MEMS 적외선 방출기(11)를 향해 대면하는 제1 면(예컨대, 전방 면) 상에서 배열될 수 있다. 임의적인 반사 방지 코팅(ARC)(15)은 덮개 기판(13a)의 다른 면(예컨대, 후방 면) 상에서, 예컨대, MEMS 적외선 방출기(11)로부터 멀어지게 대면하는 반대의 제2 면 상에서 배열될 수 있다.
방출기 패키지(100)의 조립 프로세스의 하나의 비-제한적인 예에서, (예컨대, CO2 필터 적층체(14)를 갖는) 덮개 구조체(13)의 정면은 도 6에서 도시된 바와 같이, 강성 벽 구조체(12)의 상단 벽 부분(12e)의 평면 표면들 상에서 직접적으로 본딩될 수 있다. 그러나, 도 6의 실시예를 참조하여 본원에서 설명되는 모든 것은 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 위에서 논의된 바와 같이, 임의적인 리세스 구조체(33)를 가지는 강성 벽 구조체(12)에 대하여 또한 유효하다.
비용 민감한 패키지에서 덮개 구조체(13)와 강성(LCP) 벽 구조체(12) 사이의 접착을 개선하기 위하여, 양면 에칭된 덮개 구조체(13)가 이용될 수 있다. 예를 들어, 반사 방지 코팅(15)은 예컨대, 에칭에 의해 구조화될 수 있다. 이와 관련하여, 반사 방지 코팅(15)은 패키지 조립 및 테스트에서 패턴 인식을 보조하기 위하여 미리 결정된 표기부(57), 예컨대, "핀 1" 표기부(marking)를 포함할 수 있다. 이것은 실리콘 상에서 표기할 수 있는 고가의 레이저 표기 머신(laser marking machine)의 이용을 회피한다. 따라서, 반사 방지 코팅(15)은 미리 결정된 핀 접속 포인트를 표기하기 위한 표시부(indication)를 포함할 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 반사 방지 코팅(15)의 횡방향 외부 원주 부분들은 덮개 기판(13a)의 횡방향 외부 에지들을 따라 에칭제거(etch away)될 수 있어서, 덮개 기판(13a)의 상기 횡방향 외부 에지들이 비피복된 상태로 남아 있을 수 있다. 이것은 다이싱 스트리트(dicing street)(56)를 제공할 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 필터 구조체(14)는 예컨대, 에칭에 의해 구조화될 수 있다. 예를 들어, 덮개 기판(13a)의 하나 이상의 횡방향 외부 원주 부분들 상에서, 필터 구조체(14)는 덮개 기판(13a)의 이 횡방향 외부 원주 부분들이 비피복된 상태로 남아 있도록 에칭제거될 수 있다. 따라서, 덮개 기판(13a)은 상단 벽 부분(12e)과 대면하는 하나 이상의 비피복된 부분들(55)을 포함할 수 있다. 비-제한적인 실시예에서, 비피복된 부분(55)은 예를 들어, 덮개 기판(13a)의 횡방향 외부 에지들을 따라 배열될 수 있고, 즉, 필터 구조체(14)는 MEMS 적외선 방출기(11)를 향해 대면하는 덮개 기판(13a)의 제1 면의 전체 횡방향 외부 원주를 따라 완전히 제거될 수 있다.
따라서, 하나의 비-제한적인 실시예(도시되지 않음)에서, 필터 구조체(14)는 덮개 기판(13a)의 제1 면을 적어도 부분적으로 피복할 수 있어서, 덮개 구조체(13)의 횡방향 외부 원주 부분(55)을 비피복된 상태로 둘 수 있고, 여기서, 덮개 구조체(13)는 적어도 상기 비피복된 횡방향 외부 원주 부분(55)에서 강성 벽 구조체(12)에 부착될 수 있다.
도 6에서 도시된 비-제한적인 실시예에서와 같은 대안적인 실시예에서, 필터 구조체(14)는 상단 벽 부분(12e) 및 그 상에서 배열된 본딩 수단(52)과 적어도 부분적으로 횡방향으로 중첩할 수 있다. 이것은 횡방향 중첩(O1)을 포함하는 중첩 부분(58)으로서 도 6에서 표시된다. 상기 횡방향 중첩(O1)은 20 μm로부터 200 μm까지, 또는 50 μm로부터 150 μm까지의 범위일 수 있다. 특정한 실시예에 따르면, 횡방향 중첩(O1)은 100 μm ± 10 %일 수 있다. 다시 말해서, 중첩 부분(58)은 필터 구조체(14)가 강성 벽 구조체(12)와 횡방향으로 중첩하는 100 μm 이하의 횡방향 확장(O1)을 포함할 수 있다. 덮개/필터 구조체(13, 14)와 접착 면적(52) 사이의 100 μm 이하의 횡방향 중첩(O1)은 조립 프로세스에서 원하는 배치 공차를 허용할 수 있다.
다시 말해서, 덮개 구조체(13)는 필터 구조체(14)가 강성 벽 구조체(12)와 횡방향으로 중첩할 수 있는 중첩 부분(58)을 포함할 수 있고, 여기서, 덮개 구조체(13)는 그 비피복된 부분(55) 및 그 중첩 부분(58) 중의 적어도 하나로 강성 벽 구조체(12)에 부착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 덮개 구조체(13)는 양자의 그 비피복된 부분(55) 및 그 중첩 부분(58)으로 강성 벽 구조체(12)에 부착될 수 있다.
그러므로, 본딩 수단(52), 예컨대, 접착제 또는 아교는 강성 벽 구조체(12)의 상단 벽 부분(12e)에서 제공될 수 있다. 예를 들어, 본딩 수단(52)은 10 μm 내지 50 μm 사이, 또는 20 μm 내지 40 μm 사이의 범위인 본드 라인 두께(bond line thickness)(BLT)를 포함할 수 있다. 일부 비-제한적인 예들에서, BLT는 대략 30 μm ± 10 %일 수 있다. 덮개 구조체(13)는 그 다음으로, 상기 본딩 수단(52)에 의해 강성 벽 구조체(12)에 부착될 수 있다. 바람직하게는, 덮개 기판(13a)의 전술한 비피복된 부분들(55)이 본딩 수단(52)과 접촉하게 될 수 있다.
요약하면, 덮개 구조체(13)는 예컨대, 실리콘을 포함하거나 실리콘으로 이루어지는 양면 에칭된 다이로서 제공될 수 있다. 예를 들어, MEMS 적외선 방출기(11)를 대면하는, 덮개 구조체(13)의 정면 상에서, 접착 면적(즉, 본딩 수단(52))을 직접적으로 대면하는 필터 구조체(14)의 그 부분들은 벽 구조체(12)와의 접착을 개선하기 위하여 에칭제거될 수 있다.
이 필터 설계의 장점들은 다음과 같다:
Figure pat00001
필터 설계가 필터 구조체(14)와 필터 부착 접착제(즉, 본딩 수단(52)) 사이의 계면에서 필터 구조체(14)의 층간박리(delamination)의 위험을 최소화함으로써 방출기 패키지(100)의 신뢰성을 개선한다
Figure pat00002
생산 라인에서 새로운 레이저 표기 장비를 이용하기 위한 요건이 없다
다시 말해서, 이 비-제한적인 예시적인 실시예는 개선된 필터 배치 정확도를 제공하는 중첩하는 영역들(55)의 감소된 크기를 제공할 수 있다.
또한, 도 6을 계속 참조하면, 강성 벽 구조체(12)의 인접한 수직 측벽 부분들(12a 내지 12d)의 각각은 0.1 mm 내지 1.0 mm 사이, 또는 0.25 mm 내지 0.75 mm 사이의 범위인 횡방향 두께(D1)를 포함할 수 있다. 일부 비-제한적인 예들에서, 횡방향 두께(D1)는 0.5 mm ± 10 %일 수 있다.
강성 벽 구조체(12)의 인접한 수직 측벽 부분들(12a 내지 12d)에 의해 형성되는 공동(31)은 1 mm 내지 5 mm 사이, 또는 2 mm 내지 4 mm 사이의 범위인 횡방향 내부 치수(D2)를 포함할 수 있다. 일부 비-제한적인 예들에서, 횡방향 내부 치수(D2)는 3 mm ± 10 %일 수 있다.
덮개 구조체(13)가 강성 벽 구조체(12)에 부착될 때, 즉, 방출기 패키지(100)가 조립될 때, MEMS 적외선 방출기(11)와 덮개 구조체(13) 또는 필터 구조체(14) 사이의 미리 결정된 최소 수직 거리(H1)가 고정적으로 제공될 수 있다.
전술된 바와 같이, 바람직한 실시예에서, 강성 벽 구조체(12)는 LCP를 포함할 수 있거나, LCP로 이루어질 수 있다. 이것은 유리할 수 있는데, 강성 측벽 부분들(12a 내지 12d)을 가지는 패키지 또는 하우징(즉, 강성 벽 구조체(12))을 제공하는 것을 허용하기 때문이다. 상기 측벽 부분들(12a 내지 12d)의 강성도는 필터 구조체(14)를 포함하는 덮개 구조체(13)가 고정적으로 부착될 수 있는 자립적 벽 구조체(12) 또는 패키지를 제공하기 위하여 충분히 강력하다. 일부 비-제한적인 예들에서, 상기 미리 결정된 최소 수직 거리(H1)는 1 mm 이상이다.
전술된 바와 같이, PAS 센서의 요건은 적어도 1 mm의 적외선 방출기(11)와 덮개 구조체(13) 사이의 최소 거리를 예측한다. 기존의 세라믹 패키지들에서, 적어도 1 mm의 깊은 공동은 개별적인 세라믹 시트(ceramic sheet)들을 패턴화하고 함께 병합함으로써 생성되어야 한다. 그러나, 깊은 공동을 갖는 이러한 세라믹 패키지의 가공 비용은 전체 센서 해결책의 비용 요건을 이행하기 위하여 너무 높다. 대안으로서, QFN 몰딩된 패키지들이 제공될 수 있다. 그러나, 이러한 QFN 패키지들은 리드 프레임과 몰드 화합물 사이의 계면에서 크랙킹하는 경향이 있을 수 있다.
본원에서 설명된 혁신적인 원리는 액정 폴리머(LCP)를 포함하거나 액정 폴리머(LCP)로 이루어지는 강성 벽 구조체(12)를 제안한다. 이것은 위에서 현존하는 문제들에 대한 해결책을 허용한다. 특히, LCP 벽 구조체(12)는 적어도 1 mm의 수직 거리(H1)에서 MEMS 적외선 방출기(11)로부터 떨어져서 이격된 덮개 구조체(13)를 매달기 위하여 충분히 강성인 강성 구조체를 제공할 수 있다. 혁신적인 LCP 벽 구조체(12)를 위한 가공 비용들은 기존의 패키지들과 비교하여 상당히 더 낮다. 또한, LCP 벽 구조체(12)는 예컨대, 접착제들 또는 아교들과 같은 적절한 본딩 수단(53)에 의해 기판(10) 상에서 용이하게 장착될 수 있다.
따라서, 어떤 실시예들은 액정 폴리머(LCP) 벽 구조체(12)를 이용하여 구성되고 양면 에칭된 덮개 구조체(13)에 의해 밀봉된 광 음향 방출기 패키지(100)를 제공할 수 있다. 본원에서 설명된 방출기 패키지(100)의 일부 장점들은 다음과 같다:
Figure pat00003
표준 다이 부착 및 와이어 본드 프로세스 후에 LCP 공동 배치를 허용한다. 공동을 형성하기 전에 MEMS 디바이스의 다이 본딩 및 와이어 본딩을 완료함으로써 더 작은 풋프린트 디바이스들을 가능하게 한다. 이것은 와이어본드 헤드에 대한 접근을 제공하기 위하여 공동 내부에서 여분의 공간을 생성해야 하는 것을 회피한다.
Figure pat00004
(몰딩된 QFN 해결책들 및 세라믹 패키지 해결책들과 비교하여) 최소 여분의 가공 비용에 의한 1.25 mm의 공동 깊이를 갖는 LCP 제품 플랫폼의 이용을 허용한다.
Figure pat00005
낮은 비용의 표준 FR4 라미네이트를 이용하는 것을 허용한다.
Figure pat00006
LCP 측벽의 상단 면의 원주 주위의 단차 구조체는 패키지 싱귤레이션 프로세스(package singulation process) 동안에 다이싱 블레이드(dicing blade)에 의한 실리콘 필터의 손상을 방지한다.
따라서, 이 개시내용은 양면 에칭된 (실리콘) 필터 덮개(13, 14)와 조합하여 LCP(액정 폴리머) 측벽 구조체(12)를 설명한다. LCP 재료는 비필터링된 IR 신호(30)를 또한 차단하는 강성 측벽 구조체(12)의 요건을 이행한다. LCP 패키지는 낮은 설정/가공 비용들을 또한 가진다.
도 7은 실시예에 따른 광음향 센서(1000)의 비-제한적인 예를 도시한다. 광음향 센서(1000)는 본원에서 설명된 바와 같은 혁신적인 원리에 따른 방출기 패키지(100)를 포함할 수 있다. 방출기 패키지(100)는 기판(110) 상에서 배열될 수 있다. 광음향 센서(1000)는 방출기 패키지(100) 바로 옆의 동일한 기판(110) 상에서 배열되는 압력 트랜스듀서(pressure transducer)(1020), 예컨대, 마이크로폰을 더 포함할 수 있다.
광음향 센서(1000)는 하우징(1010), 예컨대, 기판(110) 상으로 납땜되는 비-투명한 금속 덮개를 더 포함할 수 있다. 하우징(1010)은 측정 챔버(1030)를 정의할 수 있다. 방출기 패키지(100) 및 압력 트랜스듀서(1020)는 상기 측정 챔버(1030) 내부에서 배열될 수 있다. 방출기 패키지(100)는 필터 구조체(14)를 포함하는 덮개 구조체(13)를 통과한 후의 감소된 제2 파장에서, 필터링된 적외선 방사(30)를 측정 챔버(1030) 내로 방출할 수 있다. 비-제한적인 예로서, CO2가 광음향 센서(1000)로 검출될 경우에, 필터 구조체(14)는 대략 ~ 4.2 μm ± 10 %의 감소된 제2 파장을 가지는 적외선 방사가 통과하게 하도록 구성될 수 있다.
CO2 분자들은 방출된(펄스화된) 적외선 방사(30)를 흡수할 수 있고, 분자들은 교대로 가열하고 냉각하는 것을 시작함으로써, 압력 트랜스듀서(1020)에 의해 검출될 수 있는 측정 챔버(1030) 내부에서 압력 또는 음파들을 생성한다.
따라서, 예시적으로 도시된 광음향 가스 센서(1000)는 펄스화된 광대역 적외선(IR) 신호(20)를 방출하는, MEMS 다이(11)를 포함하는 본원에서 설명된 혁신적인 방출기 패키지(100)를 포함한다. 방출기 패키지(100)는 특정한 가스 분자들에 의해, 예컨대, CO2 가스 분자들에 의해 흡수되는 감소된 파장, 예컨대, ~ 4.2 μm ± 10 %의 파장을 갖는 필터링된 펄스화된 적외선 신호(30)를 생성할 수 있다. 흡수된 에너지는 예컨대, 실리콘 마이크로폰(1020)에 의해 검출될 수 있는 가스 센서(1000)에서의 국소적 가열 및 압력 변화를 야기시킨다. 이 비-제한적인 예에 따르면, 마이크로폰(1020)에 의해 생성된 신호는 주변 공기에서의 CO2 농도와 상관된다.
광음향 가스 센서(1000)에서의 압력 변화를 정확하게 검출하기 위하여, 방출기 패키지(100)는 다음을 포함할 수 있다:
Figure pat00007
가스 센서(1000)의 동작 시에 일정한 패키지 윤곽 치수를 유지하는 강성 측벽 구조체(12)(방출기 패키지(100)에 대한 팽창 또는 수축 없음)
Figure pat00008
미리 결정된 감소된 제2 파장 영역(예컨대, CO2에 대하여 ~ 4.2 μm)으로부터 떨어진 다른 파장들을 갖는 IR 신호의 누설 없음
Figure pat00009
MEMS 적외선 방출기(11)와 조합된 필터 덮개 구조체(13, 14) 사이의 수직 거리(H1)는 > 1 mm이다(깊은 공동)
Figure pat00010
고객 최종 제품들에서의 공간을 절감하기 위한 작은 패키지 풋프린트
Figure pat00011
비용 효과적인 가스 센서 해결책을 가능하게 하기 위한 낮은 패키지 비용
따라서, 위에서 설명된 바와 같은 LCP 측벽 구조체(12)를 갖는 방출기 패키지(100)를 이용하는 것은 가스 센서들(1000)을 위한 새로운 비용-민감한 광학 패키지(100) 개념을 가능하게 한다. 양면 에칭된 (실리콘) 필터 덮개 구조체(13, 14)는 조립 동작에서의 최소 교란으로 패키지 신뢰성을 개선한다. LCP 측벽 구조체(12)의 이용은 또한, 기존의 몰딩된 공동 해결책과 비교하여 더 작은 풋프린트를 가능하게 할 수 있다. 방출기 패키지(100) 내의 MEMS 적외선 방출기(11)의 이용은 고속 응답 적외선 광원을 가능하게 할 수 있다.
이 고속 응답 적외선 광원은 상이한 센서 애플리케이션들을 위하여 이용될 수 있다. 본원에서 설명된 방출기 패키지(100)는 예를 들어, CO2 센서들과 같은 상당한 소형화된 가스 센서들(1000)을 가능하게 할 수 있다. 본원에서 설명된 광음향 센서(1000)는 스마트홈 애플리케이션들 및 빌딩 자동화 뿐만 아니라, 샐내 공기 품질 IoT 디바이스들을 위하여 이상적이다.
본원에서 설명된 바와 같은 가스 센서(1000)는 상업적으로 입수가능한 가스 센서들과 비교하여, 고객 최종 제품들에서의 75 % 초과의 공간을 절감한다. 개시내용은 광음향 시스템들을 위한 중간-적외선 광원들로서 통상적으로 이용되는, LED들 및 레이저들을 포함하는 해결책들과 비교하여 전례없는 낮은 제조 비용들을 또한 가능하게 한다. 본원에서 설명된 바와 같은 가스 센서(1000)는 높은 용적 및 비용 민감한 CO2 가스 감지 애플리케이션들을 가능하게 할 수 있을 뿐만 아니라, 다른 가스들 및 휘발성 유기 화합물들을 감지하는 것을 또한 허용할 수 있다.
또한, 광음향 센서(1000)를 위한 방출기 패키지(100)를 제조하기 위한 방법이 제안되고, 방법은:
제1 파장 범위에서 펄스화된 적외선 방사(20)를 방출하기 위한 MEMS 적외선 방사 소스(11)를 제공하고, 기판(10) 상에서 MEMS 적외선 방사 소스(11)를 배열하는 단계,
강성 벽 구조체(12)가 MEMS 적외선 방사 소스(11)의 주연부를 횡방향으로 포위하도록, 기판(10) 상에서 강성 벽 구조체(12)를 배열하는 단계,
MEMS 적외선 방사 소스(11)로부터 방출된 적외선 방사(20)를 필터링하고 감소된 제2 파장 범위에서 필터링된 적외선 방사(30)를 제공하기 위한 필터 구조체(14)를 포함하는 덮개 구조체(13)를 제공하고, 덮개 구조체(13)를 강성 벽 구조체(12)에 부착하는 단계
를 포함한다.
추가의 실시예에 따르면, 기판(10) 상에서 MEMS 적외선 방사 소스(11)를 배열하는 단계는 기판(10) 상에서 벽 구조체(12)를 배열하는 단계 이전에 실행될 수 있다. 전술된 바와 같이, 강성 벽 구조체(12)는 MEMS 적외선 방사 소스(11)를 횡방향으로 포위할 수 있다. 따라서, 강성 벽 구조체(12)는 MEMS 적외선 방사 소스(11)가 그 내부에서 존재하는 공동(31)을 형성할 수 있다. 이러한 공동(31)을 제공하는 것은 공동(31) 내부의 추가적인 공간이 본드 헤드를 수용하기 위하여 요구되지 않으므로 더 작은 해결책을 가능하게 한다.
일부 양태들은 장치의 맥락에서 설명되었지만, 이 양태들은 대응하는 방법의 설명을 또한 표현하는 것이 명확하고, 여기서, 블록 또는 디바이스는 방법 단계 또는 방법 단계의 피처에 대응한다. 유사하게도, 방법 단계의 맥락에서 설명된 양태들은 또한, 대응하는 장치의 대응하는 블록 또는 항목 또는 피처의 설명을 표현한다.
이 개시내용은 예시적인 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 이 설명은 제한적인 의미로 해석되도록 의도된 것이 아니다. 예시적인 실시예들의 다양한 수정들 및 조합들 뿐만 아니라, 이 개시내용의 다른 실시예들이 설명을 참조할 시에 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 분명할 것이다. 그러므로, 첨부된 청구항들은 임의의 이러한 수정들 또는 실시예들을 망라하는 것이 의도된다.

Claims (15)

  1. 광음향 센서를 위한 방출기 패키지(100)로서,
    제1 파장 범위에서 펄스화된 적외선 방사(pulsed infrared radiation)를 방출하기 위한 MEMS 적외선 방사 소스(11) - 상기 MEMS 적외선 방사 소스(11)는 기판(10) 상에서 배열됨 -,
    상기 기판(10) 상에서 배열되고 상기 MEMS 적외선 방사 소스(11)의 주연부(periphery)를 횡방향으로 포위하는 강성 벽 구조체(12),
    상기 강성 벽 구조체(12)에 부착되는 덮개 구조체(13) - 상기 덮개 구조체(13)는 상기 MEMS 적외선 방사 소스(11)로부터 방출된 상기 적외선 방사를 필터링하고 감소된 제2 파장 범위에서 필터링된 적외선 방사를 제공하기 위한 필터 구조체(14)를 포함함 -
    를 포함하는, 방출기 패키지(100).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 강성 벽 구조체(12)는 액정 폴리머(Liquid Crystal Polymer)(LCP)를 포함하거나 액정 폴리머(LCP)로 이루어지는, 방출기 패키지(100).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 덮개 구조체(13) 및 상기 강성 벽 구조체(12)가 함께, 상기 MEMS 적외선 가열 소스(11)가 배열되는 공동(31)을 형성하도록, 상기 덮개 구조체(13)는 상기 기판(10) 반대인 상기 강성 벽 구조체(12)의 부분 상에서 장착되는, 방출기 패키지(100).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강성 벽 구조체(12)는 상기 MEMS 적외선 방사 소스(11)로부터 방출되는 상기 적외선 방사(20)에 대하여 비-투명한, 방출기 패키지(100).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강성 벽 구조체(12)는 상기 기판(10)으로부터 멀어지게 대면하는 상단 벽 부분(12f) 상에서 제공되는 리세스 구조체(recess structure)(33)를 포함하고, 상기 덮개 구조체(13)는 상기 리세스 구조체(33) 내부에서 장착되는, 방출기 패키지(100).
  6. 제5항에 있어서,
    상기 리세스 구조체(33)는 덮개 부착 접착제가 상기 MEMS 적외선 방사 소스(11)를 향해 횡방향으로 내향으로 유동하는 것을 방지하기 위한 고립 구조체(standoff structure)(34)를 포함하고, 상기 상단 벽 부분(12e)과 상기 고립 구조체(33) 사이의 거리(d1)는 상단 벽 부분(12e)과 상기 리세스 구조체(33)의 하단 부분(35) 사이의 거리(d2)보다 더 작은, 방출기 패키지(100).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 덮개 구조체(13)는 덮개 기판(13a)을 포함하고,
    상기 필터 구조체(14)는 상기 MEMS 적외선 방사 소스(11)를 향해 대면하는 상기 덮개 기판(13a)의 제1 면 상에서 제공되고, 그리고/또는
    반사 방지 코팅(15)은 상기 MEMS 적외선 방사 소스(11)로부터 멀어지게 대면하는 상기 덮개 기판(13a)의 반대인 제2 면 상에서 제공되는, 방출기 패키지(100).
  8. 제7항에 있어서,
    상기 덮개 기판(13a)은 실리콘을 포함하거나 실리콘으로 이루어지는, 방출기 패키지(100).
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 필터 구조체(14)는 상기 덮개 기판(13a)의 제1 면을 부분적으로 피복하여, 상기 덮개 구조체의 횡방향 외부 원주 부분(55)을 비피복된 상태로 두고, 상기 덮개 구조체(13)는 적어도 상기 비피복된 둘레 부분(55)에서 상기 강성 벽 구조체(12)에 부착되는, 방출기 패키지(100).
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 덮개 구조체(13)는 상기 필터 구조체(14)가 상기 강성 벽 구조체(12)와 횡방향으로 중첩하는 중첩 부분(58)을 포함하고, 상기 덮개 구조체(13)는 그 비피복된 부분(55) 및 그 중첩 부분(58) 중의 적어도 하나로 상기 강성 벽 구조체(12)에 부착되는, 방출기 패키지(100).
  11. 제10항에 있어서,
    상기 중첩 부분(58)은 상기 필터 구조체(14)가 상기 강성 벽 구조체(12)와 횡방향으로 중첩하는 100 μm 이하의 횡방향 확장(O1)을 포함하는, 방출기 패키지(100).
  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필터 구조체(14)는 상기 덮개 기판(13a)의 제1 면 상에서 퇴적되는 복수의 층들(21, 22)을 포함하고, 그리고/또는
    상기 반사 방지 코팅(15)은 상기 덮개 기판(13a)의 제2 면 상에서 퇴적되는 복수의 층들(21, 22)을 포함하는, 방출기 패키지(100).
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 덮개 구조체(13)와 상기 MEMS 적외선 방사 소스(11) 사이의 거리(H1)는 적어도 1 mm인, 방출기 패키지(100).
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 파장 범위는 상기 광음향 원리에 의해 검출되어야 할 타겟 매체의 흡수 스펙트럼에 대응하는, 방출기 패키지(100).
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 방출기 패키지(100)를 포함하는 광음향 센서(1000).
KR1020200170670A 2019-12-10 2020-12-08 광음향 센서를 위한 방출기 패키지 KR20210074201A (ko)

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