集成的光声气体传感器模块的制作方法

本公开涉及一种光声气体传感器、一种光声气体传感器模块以及一种用于制造光声气体传感器的方法。

背景技术：

在过去，已经开发了许多类型的气体检测装置，以便检测大气或环境是否包含潜在有害或危险的成分，并且如果可能的话，向人提供其警告。气体检测器正确起作用在许多应用中都非常重要，特别是当这些检测器用于确保工作人员的安全时。除此之外，随着许多设备和仪器的尺寸不断变小，气体检测器的空间消耗也变得越来越重要。这种小型化的总体趋势产生了这种需要：开发可容易地并入现有的设备或仪器中的更加紧凑的气体传感器。

技术实现要素：

根据本公开的第一方面，一种光声气体传感器包括：衬底；由所述衬底支撑的光发射器单元，所述光发射器单元包括光发射器，所述光发射器被配置用来发射具有预定的重复频率和波长的光脉冲的光束，所述预定的重复频率和波长相应于待被感测的气体的吸收带；以及由所述衬底支撑的检测器单元，所述检测器单元包括微音器，其中，所述光脉冲的光束穿过旨在容纳所述气体的区域，所述微音器能够接收以所述重复频率振荡的信号。

根据本公开的第二方面，一种光声气体传感器模块包括：衬底；光发射器，所述光发射器被配置用来发射待被气体吸收的光脉冲的光束；以及检测器，所述检测器被配置用来接收以所述光脉冲的重复频率振荡的信号；其中，所述光发射器和所述检测器由所述衬底支撑。

根据本公开的第三方面，一种用于制造光声气体传感器的方法包括：提供衬底；通过形成多个气体传感器单元来制造多传感器面板，所述多个气体传感器单元中的每一个均由所述衬底支撑，并且均包括光发射器单元和检测器单元；以及单个化所述多传感器面板，以得到多个光声气体传感器。

根据本公开的第四方面，一种光声气体传感器包括：光发射器单元，所述光发射器单元包括光发射器腔和设置在所述光发射器腔中的光发射器元件，所述光发射器元件被配置用来发射具有预定的重复频率和预定的波长的光脉冲的光束，所述预定的重复频率和预定的波长相应于待被感测的气体的吸收带；以及检测器单元，所述检测器单元包括检测器腔和设置在所述检测器腔中的检测器元件；其中，所述光脉冲的光束穿过旨在容纳所述气体的区域，所述检测器元件被布置用来检测以所述重复频率振荡的信号。

根据本公开的第五方面，一种用于制造光声气体传感器的方法包括：提供光发射器单元，所述光发射器单元包括光发射器腔和设置在所述光发射器腔中的光发射器元件，所述光发射器元件被配置用来发射具有预定的重复频率和预定的波长的光脉冲的光束，所述预定的重复频率和预定的波长相应于待被感测的气体的吸收带；提供检测器单元，所述检测器单元包括检测器腔和设置在所述检测器腔中的检测器元件，其中，所述光脉冲的光束穿过旨在容纳所述气体的区域，所述检测器元件被布置用来检测以所述重复频率振荡的信号。

附图说明

附图被包括以提供对示例的进一步理解，并且被并入并构成本说明书的一部分。所述附图示出示例并同描述一起起到解释示例的原理的作用。当通过参照下文的详细描述更好地理解其他示例和示例的许多预期的优点时，它们将被容易地领会。附图中的各元件不一定相对彼此按比例绘制。相似的附图标记表示相应的类似部分。

图1包括图1a和图1b，示出根据一个示例的光声气体传感器，还表明了测量原理。

图2示出光声气体传感器的一个示例的示意性剖视侧视图示，所述光声气体传感器包括衬底、集成在衬底中的光发射器和检测器、参考体积区、盖构件和底部构件。

图3示出光声气体传感器的一个示例的示意性剖视侧视图示，所述光声气体传感器包括衬底、设置在衬底上的预制的光发射器和检测器模块、参考体积区和盖构件，其中，所述衬底包括电通孔连接部。

图4示出与图3中相类似的光声气体传感器的一个示例的示意性剖视侧视图示，其中，所述衬底包括位于其上表面上的平坦电连接部而非电通孔连接部。

图5示出与图3中相类似的光声气体传感器的一个示例的示意性剖视侧视图示，其中，盖构件被配置以便允许光脉冲的光束在其从光发射器至检测器的路径上多次反射。

图6包括图6a至图6e，示出光声气体传感器的多个示例的示意性剖视侧视图示，其包括通过省略参考体积区而与图2中相类似的光声气体传感器的一个示例(a)，具有附加的集成的滤光器的根据(a)的示例的光声气体传感器的一个示例(b)，通过省略参考体积区而与图3中相类似的光声气体传感器的一个示例(c)，具有附加的滤光器的与(c)中相类似的光声气体传感器的一个示例(d)，以及具有密封的微音器区的与(c)中相类似的光声气体传感器的一个示例(e)。

图7包括图7a和7b，示出衬底晶片的示意性俯视图示，其包括由衬底晶片支撑的多个气体传感器单元(a)；以及沿如由图7a中的线b-b所示的平面的示意性剖视侧视图示，其示出为制造多个根据图2的光声气体传感器，盖构件至衬底晶片的附接(b)。

图8示出与图7b相类似的示意性剖视侧视图示，示出为制造根据图3的光声气体传感器，盖构件至衬底的附接。

图9包括图9a和图9b，示出光声气体传感器的示意性剖视侧视图示，其中，发射器和检测器分别设置在预制的腔中，各腔并排布置，具有内反射壁的盖构件设置在所述腔之上(a)，还示出在安装所述盖构件之前，光声气体传感器模块的示意性俯视图示(b)。

图10包括图10a至图10c，示出发射器模块和检测器模块的示意性剖视侧视图示，各模块设置在预制的腔中(a)，还示出装配后的光声气体传感器模块的示意性剖视侧视图示，其中，各腔以相对的关系设置(b)，以及示出装配后的光声气体传感器模块的示意性底视图示。

图11包括图11a至图11c，示出发射器模块和检测器模块的示意性剖视侧视图示，各模块设置在预制的腔中并且各模块彼此电连接(a)，还示出装配后的光声气体传感器模块的示意性剖视侧视图示，其中，各腔以相对的关系设置(b)，以及示出装配后的光声气体传感器模块的示意性底视图示(c)。

图12包括图12a和图12b，示出发射器模块和检测器模块的透视图示，各模块电连接至彼此(a)，以及示出安装在印刷电路板(pcb)上的装配后的光声气体传感器模块的透视图示。

具体实施方式

现参照附图描述各个方面和示例，其中，通篇中通常使用相似的附图标记指代相似的元件。在下文的描述中，为解释的目的，阐述了许多具体细节，以提供对示例的一个或多个方面的透彻理解。然而，对本领域技术人员可显而易见的是，可以较小程度的具体细节来实践示例的一个或多个方面。在其他例子中，以示意性的形式示出已知的结构和元件以便于描述示例的一个或多个方面。应该理解的是，可使用其他示例并且在不背离本公开的范围的情况下可做出结构或逻辑上的变化。还应该注意的是，附图并非或不一定按照比例绘制。

在下文的详细描述中，参考了构成本文的一部分的附图，并且在附图中通过图示的方式示出可实践本公开的具体示例。在这方面，诸如“顶部”、“底部”、“前”、“后”等等的方向性术语是参照正被描述的附图的取向来使用的。因为所描述的装置的部件可以多种不同取向放置，因此方向性术语是为图示的目的使用，而绝非是限制的目的。应该理解的是，可使用其他方面并且在不背离本公开的范围的情况下可做出结构或逻辑上的变化。因此下文的详细描述不应以限制的意义理解，本公开的范围由所附权利要求限定。

应该理解的是，除非特别声明，否则本文所描述的各种示例的特征可彼此结合。

如本说明书中所使用的术语“结合”、“附接”、“连接”、“耦接”和/或“电连接/电耦接”并不旨在于意味着，各元件或各层必须直接接触在一起；而是可在各个“结合”、“附接”、“连接”、“耦接”和/或“电连接/电耦接”的元件之间提供中间元件或层。然而，根据本公开，上述术语还可可选地具有各元件或各层直接接触在一起的特定含义，即在各个“结合”、“附接”、“连接”、“耦接”和/或“电连接/电耦接”的元件之间不设置中间元件或层。

另外，对于在表面“之上”形成的或位于表面“之上”的部分、元件或材料层中所使用的词语“之上”可在本文中用来表示，所述部分、元件或材料层“非直接”位于(例如放置、形成、沉积在等等)所述表面之上，从而有一个或一个以上的附加部分、元件或层布置在所述表面与所述部分、元件或材料层之间。然而，对于在表面“之上”形成的或位于表面“之上”的部分、元件或材料层中所使用的词语“之上”也可可选地具有特定含义：所述部分、元件或材料层“直接”位于(例如放置、形成、沉积在等等)所述表面上，例如直接接触所述表面。

附加地，尽管可针对多个实施方式中的仅仅一个公开示例的特殊特征或方面，然而，对于任意给定或特殊的应用而言可能令人期望和有利的是，这种特征或方面可与其他实施方式的一个或一个以上的其他特征或方面相结合。另外，就术语“包含”、“具有”、“带有”或它们的其他变体使用于具体实施方式或权利要求中而言，这种术语以类似术语“包括”的方式旨在于表示包括性的。可使用术语“耦接”和“连接”以及派生词。应该理解的是，无论两个元件是直接的物理接触或电接触，或者是彼此非直接接触，都可使用这些术语以表示两个元件彼此协作或相互作用。另外，术语“示例性的”仅意味着示例，而不是最佳的或最优的。因此，下文的详细描述不应以限制的意义理解，本公开的范围由所附权利要求限定。

本文描述的检测器模块的示例可包括微音器芯片。所述微音器芯片可由半导体芯片组成。所述半导体芯片可基于特定的半导体材料，例如si、sic、sige、gaas、gan、algaas制造，但也可基于任意其他半导体材料制造，并且另外可包括非半导体的无机和/或有机的材料，例如绝缘体、塑料或金属。微音器芯片可通过mems(micro-optoelectro-mechanical：微光机电)技术制造。

光声气体传感器的示例可包括密封剂或包封材料，其中嵌入一个或一个以上的芯片。所述包封材料可以是任何电绝缘材料，例如任何种类的模制材料、任何种类的树脂材料或任何种类的环氧树脂材料。包封材料还可以是聚合物材料，聚酰亚胺材料，热塑性材料，硅树脂材料，陶瓷材料和玻璃材料。包封材料也可包括上文提到的材料中的任何材料，并且还包括嵌入其中的填充材料，例如导热增长材料。这些填料增长材料可以例如由alo或al2o3、aln、bn、或sin制成。另外所述填料增长材料可具有纤维的形状，并且可例如由碳纤维或纳米管制成。

就用于制造光声气体传感器的方法被描述为具有特定顺序的方法步骤而言，应当提及的是，本领域的技术人员可采用任何其他适当顺序的方法步骤。还应当提及的是，与所描述的方法一同提及的任何评论、备注或特征应当被理解为也公开了从这种评论、备注或特征获得或产生于这种评论、备注或特征的装置，尽管这种装置没有被明确描述或在附图中示出。另外，与装置一同提及的任何评论、备注或特征应当被理解为也公开了用于提供或制造相应装置特征的方法步骤。

图1包括图1a和图1b，并且在左侧图中示出光声气体传感器的一个示例，其与右侧图一起示出光声气体传感器的工作原理。图1中的光声气体传感器10包括光发射器单元11，其包括光发射器11.1，所述光发射器11.1被配置用来发射具有预定的重复频率和波长的光脉冲11.3的光束11.2，所述预定的重复频率和波长相应于将被感测的气体的吸收带。光声气体传感器10还包括检测器单元12，其包括微音器12.1。布置光发射器单元11使得光脉冲11.3的光束11.2穿过被配置用来容纳气体的区域a，布置检测器单元12使得微音器12.1可接收以所述重复频率振荡的信号。附图标记12.2、12.3和12.4分别表示图1中的光声传感器10的可选元件：检测器模块壳体、参考气体和光入射窗。

以重复频率调制的光脉冲将被气体吸收并生成局部压力脉冲，所述局部压力脉冲在微音器中产生特征信号。对于气体而言，所述吸收是特定的，特别地，所述吸收相应于其特征转动振动谱中的特定跃迁，使得通过施加适当的激励频率就可构建选择性光声气体传感器。一个特别的挑战是构造紧凑的、小型化的，可容易地处理、运输或安装在不同种类的衬底上的光声气体传感器。

根据图1中的光声气体传感器10的一个示例，检测器单元12包括检测器单元壳体12.2，其中，微音器12.1设置在检测器壳体12.2中，通过附图标记12.3表示的参考气体被包围在检测器单元壳体12.2中，所述参考气体12.3与待被感测的气体属于同一种类，其中，所述待被感测的气体设置在区域a中。根据光声气体传感器的另一个示例，参考气体12.3被气密密封在检测器单元壳体12.2中，所述检测器单元壳体12.2在面向发射器模块的一侧包括光入射窗12.4，其对于由光发射器11.1发射的光是透射的。被气密密封在壳体12.2中的气体12.3可因此被指定为参考气体，或者检测器单元壳体12.2的内体积区可被指定为参考体积区。待被感测的气体设置在区域a中，尤其是在发射器模块11与检测器模块12之间的光路内。因此，测量原理被以如下方式配置：在区域a中，尤其是在发射器模块11与检测器模块12的光入射窗12.4之间的光路中不存在待被感测的气体的情况下，光脉冲进入参考体积区而不具有任何衰减，使得被微音器12.1测量与递送的信号如可在图1a的时间图中看到的那样将是最大值。在另一方面，如果在区域a中，尤其是在发射器模块11与检测器模块12的光入射窗12.4之间的光路中存在待被感测的气体，那么光脉冲将被衰减，使得较小强度的光脉冲将进入参考体积区，从而导致如图1b的时间图中表示的那样，由微音器12.1测量和递送的信号减小。因此，在图1中示出的测量变型中，以重复频率振荡并由微音器检测的信号从参考气体发出。区域a中的气体的存在通过由微音器12.1检测的信号强度的降低表示出来。

根据光声气体传感器的另一个示例，没有被包围在检测器模块壳体中的参考气体，而是仅有存在于区域a中，尤其是发射器模块与微音器模块之间的光路中的待被感测的气体。在这种情况下，如果没有待被感测的气体存在于发射器模块与检测器模块之间的光路，那么微音器将不会检测出并输出任何信号。在另一方面，如果待被感测的气体存在于区域a中，尤其是存在于发射器模块与检测器模块之间的光路中，那么微音器将检测出并输出其强度与存在于区域a中的气体的量或密度有关的信号。因此，在此替代性的测量变型中，以重复频率振荡并由微音器检测的信号从该气体本身发出。区域a中的气体的存在通过由微音器12.1检测的信号强度的增加表示出来。因此，在此替代变型中，在存在待被感测的气体的情况下将获得正信号。

根据图1中的光声气体传感器的一个示例，光脉冲的重复频率位于音频频率范围内或位于1hz至10khz，尤其是1hz至1khz的频率范围内，其中，典型的频率范围是1hz至100hz，其相应于0.01s至1s范围内的脉冲持续时间。

根据图1中的光声气体传感器10的一个示例，由光发射器11.1发射的光可包括任意期望的波长或可见或不可见光谱范围内的波长。特别地，所述光发射器单元11被配置用来仅发射相应于待被感测的气体的吸收带的预选波长的光。

根据图1中的光声气体传感器10的一个示例，光发射器11.1包括宽带发射器、窄带发射器、相干光发射器、非相干光发射器、黑体辐射器、灯、加热电阻器、发光二极管(led：lightemittingdiode)或尤其是激光二极管的激光器中的一种或一种以上。根据其一个示例，在光发射器11.1包括宽带发射器的情况下，光发射器单元11可包括设置在光发射器11.1前方的滤光器，所述滤光器被配置用来允许通过由光发射器11.1发射的具有预选波长的光。如果光发射器模块11包括光发射器模块壳体11.4和设置在光发射器单元壳体11.4的壁中的光出射窗11.5，那么滤光器可被施加至光出射窗11.5上或者它甚至可以与光出射窗11.5相同。

根据图1中的光声气体传感器10的一个实施例，光发射器单元11包括可调节的波长发射范围。对发射的光脉冲的波长的调节与所使用的光发射器11.1的种类有关。如果例如光发射器11.1是比如发光二极管或激光二极管的窄带光源，那么可通过直接控制光发射器11.1来实现对发射波长的调节。然而，如果光发射器11.1是宽带光发射器，那么发射的光脉冲由滤光器滤波，可采用比如例如法布里-珀罗滤波器的波长可调节滤光器，使得可通过合适的装置来调整滤光器的透射带。可调节的波长发射范围的一个优点是原则上可检测不同种类的气体。

根据图1中的光声气体传感器10的一个示例，光发射器单元11被配置用来发射具有相应于待被感测的气体的分子的旋转或振动带的能量或跃迁的波长的红外光的光脉冲的光束。

根据图1中的光声气体传感器10的一个示例，待被感测的气体是co2、nox、h2o、o2、n2、ch4或乙醇中的一种。

根据图1中的光声气体传感器10的一个示例，光发射器单元11包括光发射器单元壳体11.4，其中，光发射器11.1设置在光发射器单元壳体11.4中，并且光发射器单元壳体11.4包括在其壁中的光出射窗11.5。如上简述的那样，光出射窗11.5应该具有允许由光发射器11.1发射的光的期望的波长通过的透射特性。根据其另外的示例，光出射窗11.5可被设计为用于过滤出期望的波长的滤光器或者这种滤光器可被附接至光出射窗11.5。

根据图1中的光声气体传感器10的一个示例，光发射器单元11和检测器单元12设置在共同的衬底上。其具体示例将在下文进一步示出。

根据图1中的光声气体传感器10的一个示例，光发射器单元11与检测器单元12以面对面的关系设置，这意味着例如发射器单元11的光出射窗11.5和检测器单元12的光入射窗12.4如图1示出的那样以面对面的关系设置。其另外的具体示例将在下文进一步示出。

根据图1中的光声气体传感器10的一个示例，传感器还包括传感器壳体，其中，光发射器单元和检测器单元设置在传感器壳体中或附接至传感器壳体。根据其另外的示例，传感器壳体包括具有内表面的壁，该内表面能反射由光发射器单元发射的光。根据其另外的示例，所述壁包括椭圆形的几何形状，其中，光发射器和微音器设置在椭圆体的相应的焦点处。其具体示例将在下文示出。

根据另外的示例，传感器壳体包括气体进口开口。根据其另外的示例，所述气体进口开口被多孔箔覆盖，所述多孔箔被配置用来使待被感测的气体能够穿透而防止湿气和粒子中的一个或一个以上穿透。其具体示例将在下文示出。

根据图1的光声气体传感器10的一个示例，检测器模块12包括一个或一个以上的另外的电子装置，例如逻辑集成电路芯片、asic芯片等等。其具体示例将在下文示出。

根据图1的光声气体传感器10的一个示例，所述光声气体传感器被配置为光声传感器模块，所述光声传感器模块被配置为表面贴装式装置或通孔安装式装置。其具体示例将在下文示出。

图2示出第一方面的光声气体传感器的一个示例。图2的光声气体传感器20包括衬底21、由所述衬底21支撑的光发射器单元，所述光发射器单元包括光发射器21.1，其被配置用来发射具有预定的重复频率和波长的光脉冲的光束，所述预定的重复频率和波长相应于待被感测的气体的吸收带。光声气体传感器20还包括由衬底21支撑的检测器单元，所述检测器单元包括微音器21.2。光脉冲的光束穿过旨在容纳气体的区域25，微音器21.2可接收以所述重复频率振荡的信号。

根据第一方面的光声气体传感器20的一个示例，衬底21包括半导体衬底、硅基衬底、玻璃衬底和陶瓷衬底中的一种或一种以上。

根据第一方面的光声气体传感器20的一个示例，如果衬底21包括半导体衬底，尤其是硅基衬底，那么如图2中示出的，光发射器21.1和微音器21.2中的一个或一个以上可集成在半导体衬底21中。根据其另外的示例，光发射器21.1可由薄膜电阻器形成，所述薄膜电阻器在操作中用作可产生脉冲的红外发射器。特别地，薄膜电阻器可由类金刚石纳米结构的无定形碳制成，并且可以以可高达70赫兹的频率以良好的调制深度(即on与off状态之间的对比)产生脉冲。原则上也可行的是，薄膜电阻器由硅制成，并且与半导体衬底21邻接形成。

根据第一方面的光声气体传感器20的一个示例，微音器21.2至少部分地与衬底21邻接形成。

根据第一方面的光声气体传感器的一个示例，尤其是在半导体衬底21的情况下，衬底21包括集成在衬底21中的电子装置或电子电路。根据其另外的示例，电子装置或电子电路可与光发射器单元和检测器单元中的一个或一个以上连接，并且可执行如驱动光发射器单元或处理从检测器单元接收的信号的电功能。另外的电功能可包括信号放大、信号调理以及存储数据或校准信息。

根据第一方面的光声气体传感器的一个示例，光发射器单元和检测器单元中的一个或一个以上由附接至衬底的预制模块组成。将在下文中示出并详细描述其示例。

根据第一方面的光声气体传感器的一个示例，盖构件22设置在衬底之上并且被配置用来限定旨在容纳气体的区域25。

根据第一方面的光声气体传感器20的一个示例，盖构件22包括在环境与旨在容纳气体的区域25之间的开口22.1。

根据第一方面的光声气体传感器20的一个示例，盖构件22由半导体材料、硅基材料、玻璃材料以及陶瓷材料中的一种或一种以上组成。特别地，所述盖构件22包括对于光脉冲的光束是透明的材料，特别地，对于光脉冲的光束的波长的透射系数大于50％，更具体地大于60％，更具体地大于70％，更具体地大于80％，更具体地大于90％，更具体地大于95％，更具体地大于98％。在适合于检测co2的4.3μm的波长的情况下，由于硅对于该波长是高度透明的，因此可使用硅作为用于盖构件22的材料。这当然仅在光脉冲的光束必须穿过盖构件的部分时，即图2的示例中的情况下是相关的，而与将在下文示出并解释的光声气体传感器的其他示例无关。

根据第一方面的光声气体传感器20的一个示例，光声气体传感器20还包括参考气体，其中，检测器单元包括检测器单元室23，衬底21和盖构件22还被配置用来限定检测器单元室23，所述参考气体被包围在检测器单元室23中，其中，参考气体与待被感测的气体属于同一种类。根据其另外的示例，检测器单元室23由衬底21的上表面的一部分以及盖构件22的一个或一个以上的表面限界，其中，如可在图2中看出的，微音器21.2设置在衬底21的上表面的所述部分上或集成在衬底21的上表面的所述部分中。

根据第一方面的光声气体传感器20的一个示例，光发射器单元包括光发射器单元室24，其中，衬底21和盖构件22还被配置用来限定光发射器单元室24。根据其另外的示例，光发射器单元室24由衬底21的上表面的一部分和盖构件22的一个或一个以上的表面限定，其中，光发射器21.1设置在衬底21的上表面的所述部分上或集成在衬底21的上表面的所述部分中。

根据第一方面的光声气体传感器20的一个示例，盖构件22被配置用来使由光发射器单元发射的光脉冲的光束朝邻近检测器单元的区域的方向偏转。根据其另外的示例，盖构件22包括反射壁22a，其被配置用来使由光发射器21.1发射的光脉冲的光束朝与微音器21.2邻近的区域的方向反射。

根据第一方面的光声气体传感器20的一个示例，盖构件22通过熔焊、钎焊或阳极结合工艺，或通过其他结合工艺，尤其是通过能够产生气密结合的结合工艺而被连接至衬底21。

根据第一方面的光声气体传感器的一个示例，光声气体传感器包括设置在衬底21之下的底部构件26，其中，所述底部构件26由半导体材料、硅基材料、玻璃材料以及陶瓷材料中的一种或一种以上组成。

根据第一方面的光声气体传感器的一个示例，底部构件26包括电通孔连接部，其可与形成在衬底21中的电通孔连接部连接，其中，衬底通孔连接部与光发射器和检测器中的一个或一个以上连接。

根据第一方面的光声气体传感器20的一个示例，底部构件26通过熔焊、钎焊或阳极结合工艺，或其他结合工艺，尤其是能够产生气密结合的结合工艺而被连接至衬底21。

图3示出第一方面的光声气体传感器的一个示例的示意性剖视侧视图示。图3中的光声气体传感器30包括衬底31、由所述衬底31支撑的光发射器单元31.1，所述光发射器单元31.1包括光发射器，其被配置用来发射具有预定的重复频率和波长的光脉冲的光束，所述预定的重复频率和波长相应于待被感测的气体的吸收带。光声气体传感器30还包括由衬底31支撑的检测器单元31.2，所述检测器单元31.2包括微音器，其中，光脉冲的光束穿过旨在容纳气体的区域35，微音器可接收以所述重复频率振荡的信号。

关于类似的部件或特征，图3中的光声气体传感器30可类似于图2中的光声气体传感器20形成，因此将不在此重复其相应描述。除此之外，图3中的光声气体传感器30包括相较于图2中的光声气体传感器20的以下区别。

在如图3中示出的光声气体传感器30的示例中，光发射器单元31.1和检测器单元31.2均以预制的并且附接至衬底31的模块的形式提供。如图3中示出的，这可通过制造各个模块并通过倒装芯片组装将它们与衬底31连接来实现。替代地，所述各模块也可以竖直芯片组装的形式，并通过用引线结合将模块的接触垫与形成在衬底31上的电接触区域连接而与衬底31连接起来。

图3中的光声气体传感器30包括盖构件32，所述盖构件32设置在衬底31之上并且被配置用来限定旨在容纳气体的区域35。光声气体传感器30还包括参考气体和检测器单元室33，其中，衬底31和盖构件32还被配置用来限定检测器单元室33，参考气体被包围在检测器单元室33中，其中，参考气体与待被感测的气体属于同一种类。除此之外，另外的电子装置37设置在检测器单元室33中，其中，所述电子装置37也可以以倒装芯片组装连接到衬底31，并且可通过设置在衬底31的上表面上的电接触区域与检测器模块31.2连接。电子装置37可例如是处理器芯片、逻辑芯片、放大芯片、信号调理芯片或存储器芯片中的一个或一个以上。

在图3中的光声气体传感器30的示例中，没有如图2中的光声气体传感器20的情况那样设置底部构件。换言之，图3中的光声气体传感器30的衬底31同时实现图2中的光声气体传感器20的衬底21和底部构件26的功能。

在图3中的光声气体传感器30的示例中，衬底31包括电通孔连接部，其与在衬底31的上表面上的电接触区域以及衬底31的下表面上的电接触区域连接，使得可以以表面贴装技术将光声气体传感器30安装在衬底上。

图4示出光声气体传感器的一个示例的示意性剖视侧视图示。图4中的光声气体传感器40与图3中的光声气体传感器30区别在以下方面。衬底41不包括电通孔连接部，否则其可与图3中的衬底31相类似。替代电通孔连接部，光声气体传感器40包括电接触区域48，其从盖构件42之下的检测器单元室43的内部和光发射器室46的内部延伸至衬底41的上表面之上的外部。光声气体传感器40因而可通过适当的方式连接至客户的任何种类的设备。

图5示出光声气体传感器的一个示例的示意性剖视侧视图示。图5中的光声气体传感器50与图2和图3中的相类似并与这些仅区别在以下方面。图2和图3中示出的光声气体传感器20和30每个均包括盖构件，其设置有用于允许环境气体流入至旨在容纳气体的区域中的中央开口或端口。然而，图5中的光声气体传感器50包括衬底51和设置在所述衬底51之上的盖构件52，其中，所述盖构件52包括两个或两个以上的例如同心地围绕中央部分52.2布置的开口52.1。所述中央部分52.2包括下表面，所述下表面上具有反射涂层，并且在中央部分52.2的两侧中任一侧的盖构件52的下表面也包括反射涂层，使得在旨在容纳气体的区域内产生光脉冲的光束的多次反射。这延长了光脉冲的光束的吸收长度，这对气体传感器的性能和精确度具有相当大的影响。图5示出仅使用垂直方向上的反射的变型。然而，也可实现具有水平反射的反射器设计。

图6包括图6a-6e，示出光声气体传感器的多个示例的示意性剖视侧视图示。

图6a示出与图2中示出的示例类似的光声气体传感器的一个示例。与图2中示出的示例的区别在于，图6a中的光声气体传感器包括“打开的”不具有参考气体室的微音器。如上文解释的，在光声气体传感器的这种变型中，在待被感测的气体存在的情况下将得到正信号，但与设置有参考气体的变型相比，选择性将变低。

图6b示出与图6a中的光声气体传感器相类似的变型，但是具有附加的集成的滤光器65，其用于选择性穿透所期望的波长。所述滤光器65提供了对由光发射器发射的宽带光的波长选择。可通过施加至盖构件62的内壁上的适当的涂层来提供滤光器65。

图6c示出与图3中示出的光声气体传感器相类似的变型，但是也具有如上文结合图6a一起解释的“打开的”微音器和发射器。

图6d示出与上文结合图6c一起示出并解释的光声气体传感器相类似的变型，其中，区别在于提供了如上文结合图6b一起示出并解释的集成的滤光器65。

图6e示出与上文结合图6c一起示出并描述的光声气体传感器相类似的变型，其中，通过作为盖构件的一部分的壁，检测器单元相对于旨在容纳气体的区域密封。所述检测器单元也可被配置为参考气体室，可包含合适的参考气体。盖构件的分离的壁也可包括如前所述的用作滤光器的涂层。光发射器区可如图6e所示未被密封或打开。

本公开还涉及根据第二方面的光声气体传感器模块。根据第二方面的光声气体传感器包括：衬底；光发射器，其被配置用来发射待被气体吸收的光脉冲的光束；以及检测器，其被配置用来接收以光脉冲的重复频率振荡的信号，其中，所述光发射器和所述检测器由衬底支撑。

根据第二方面的光声气体传感器模块的一个示例，衬底包括电通孔连接部，其与光发射器和检测器连接。

根据第二方面的光声气体传感器模块的一个示例，光声气体传感器还包括设置在衬底之上的盖构件，所述盖构件包括反射壁，其被配置用来将由光发射器发射的光脉冲的光束朝与检测器邻近的区域的方向反射。

根据第二方面的光声气体传感器模块的一个示例，光声气体传感器还包括设置在衬底之下的底部构件，所述底部构件包括电通孔连接部。

第二方面的光声气体传感器模块的另外的示例可与上文结合第一方面的光声气体传感器一起描述的示例或特征中的任何一个一起形成。

本公开还涉及根据第三方面的用于制造光声气体传感器的方法，其中，所述方法涉及用于制造多个光声气体传感器的扩展晶片级(ewl：extendedwaferlevel)工艺的特殊形式。根据第三方面的用于制造光声气体传感器的方法包括：提供衬底；通过形成多个气体传感器单元来制造多传感器面板，多个气体传感器单元中的每一个均由衬底支撑并且包括光发射器单元和检测器单元；以及单个化多传感器面板以得到多个光声气体传感器。

根据第三方面的方法的一个示例，形成多个气体传感器单元包括将光发射器单元和检测器单元集成至与衬底的上主面邻近的区域中。

根据第三方面的方法的一个示例，形成多个气体传感器单元包括预制光发射器单元和检测器单元，并将光发射器单元和检测器单元设置在衬底的上主面之上。

第三方面的方法的另外的示例可与上文结合第一方面的光声气体传感器或第二方面的光声气体传感器模块一起描述的示例或特征中的任何一个一起形成。

图7包括图7a和7b，还示出根据第三方面的方法的一个示例。

图7a示出制造过程的中间产品的俯视图示。所述中间产品包括作为衬底的半导体晶片，尤其是硅晶片70。所述硅晶片70包括多个旨在变成相应气体传感器单元的区域71。对半导体晶片70的进一步处理取决于欲实现如图2-6中示出的示例中的哪一个示例。可以是这样的情况，例如在第一步骤中的一个步骤中，电通孔连接部可形成在每一个区域71中的硅晶片70中。然后与电通孔连接部连接的电接触区域可形成在每一个区域71中的硅晶片70的上表面和下表面上，所述电接触区域旨在分别与光发射器和检测器连接。在欲制造诸如图2中的示例的情况下，然后可以在每一个区域71中的硅晶片70的有源上表面中处理电子装置和/或电子电路，其中，所述电子装置和电子电路旨在与光发射器或检测器中之一连接或与两者都连接。另外，在欲制造诸如图2中的光声气体传感器的示例的情况下，为将光发射器和检测器集成至硅晶片70中，可能需要通过从硅晶片70的下表面去除硅材料直至几乎硅晶片70的上表面以在光发射器和微音器下方形成空的空间。否则，如果欲制造诸如图3和4中示出的示例，那么预制的光发射器和检测器模块将与硅晶片70的上表面连接并与在该上表面上的相应的电接触区域电连接。

在任何情况下，都将在半导体晶片70的每一个区域71中提供光发射器单元72和检测器单元73。

图7b示出根据图2的示例的光声气体传感器的制造过程的接下来的步骤，即从上方将盖构件22附接至衬底21并从下方将底部构件26附接至衬底21。盖构件22和底部构件26都可具有与衬底21，即硅晶片21相同的形状。所述两个附接过程都可通过熔焊、钎焊或阳极结合工艺，或通过任何其他能够产生气密结合的连接工艺中的一种或一种以上来执行。应当补充的是，所述制造过程不限于经典的，即圆形的晶片形状。原则上，使用其他的比如方形或矩形形状的衬底21、盖构件22和底部构件26也是可行的。

图8还示出沿图7a中所示的线b-b所标示的平面的剖视图，然而，其中，制造的是根据图3的示例的光声气体传感器。在这种情况下，在处理半导体晶片70之后，光发射器单元72和检测器单元73以倒装芯片的方式附接至硅晶片70的上表面，并与上表面上的相应的电接触区域电连接。此后，将盖构件75附接至硅晶片70的上表面上，并通过如前所述的连接方法中的任意一种将其连接至硅晶片70的上表面上。

在制造方法的最后步骤中，通过例如沿如图7a中示出的分离区域71的线锯切来将多传感器面板单个化成单独的气体传感器单元。

图9包括图9a和9b，示出根据第四方面的光声气体传感器的一个示例。如图9中示出的光声气体传感器90包括光发射器单元91，其包括光发射器腔91.1和设置在光发射器腔91.1中的光发射器元件91.2。所述光发射器元件91.2被配置用来发射具有预定的重复频率和预定的波长的光脉冲的光束，所述预定的重复频率和波长相应于待被感测的气体的吸收带。光发射器元件91.2可具有如上文对在先示例的光发射器所描述的任何配置或设计。光声气体传感器90还包括检测器单元92，所述检测器单元92包括检测器腔92.1和设置在所述检测器腔92.1中的检测器元件92.2。光脉冲的光束穿过旨在容纳气体的区域，检测器元件92.2被布置用来检测以所述重复频率振荡的信号。检测器元件92.2可由如在先示例中的微音器组成。另外的电装置可设置在检测器腔92.1中并与检测器元件92.2连接。

根据如图9中示出的示例，光声气体传感器90不包括诸如在先示例中的某些中示出的参考体积区。

根据如图9中示出的示例，光发射器腔91.1和检测器腔92.1中的每一个均包括底壁和四个侧壁，其中，所述侧壁连接至所述底壁并且周向地互连。根据其一个示例，光发射器腔91.1和检测器腔92.1由任意种类的塑料材料制造，如例如任何种类的树脂材料或模制材料或上文针对密封剂或包封材料提到的任何其他材料制造。此外，光发射器腔91.1和检测器腔92.1可由同一种材料制成。

根据如图9中示出的示例，光发射器腔91.1和检测器腔92.1侧向并排设置使得它们相应的底壁布置在同一平面内。根据图9的示例的光声气体传感器还包括设置在光发射器腔91.1和检测器腔92.1两者之上的盖构件93，其通过例如粘附剂被固定至腔91.1和92.1的外侧壁的上端。待被感测的气体可流入至装置的内部、腔91.1与92.1之间的区域中。盖构件93可被配置为如在先示例中示出并描述的盖构件中的任一种。特别地，盖构件93被配置用来限定旨在容纳气体的区域，并且被配置用来使由光发射器单元91发射的光脉冲的光束朝与检测器单元92相邻的区域的方向偏转。根据其一个示例，盖构件93包括内壁93.1，其通过例如设置在内壁93.1上的反射层对于光脉冲的光束的波长是高度反射的。如图9中示出的盖构件93的内反射壁93.1包括两个平面状倾斜壁，其每一个均设置在光发射器单元91和检测器单元92中的一个之上，其中，倾斜壁被定向使得光脉冲的光束如前述那样偏转。盖构件93的内壁93.1的几何形状也可具有椭圆形形式，其中，光发射器元件91.2和检测器元件92.2可设置在椭圆的焦点处。另外，盖构件93可由与光发射器腔91.1和检测器腔92.1相同的一种材料制成。

根据如图9中示出的示例，光声气体传感器90包括设置在光发射器单元91和检测器单元92中任一个之前的滤光器94。如同另一个示例一起解释的，如果光发射器单元91.2以宽带光发射器元件的形式被配置，那么就需要滤光器94，并且所述滤光器94可被配置为同在先示例中之一一起描述的那样，例如使得它包括在预定波长处或在预定波长附近的窄带透射区。根据其另外的示例，光发射器腔91.1和检测器腔92.1中的至少一个的侧壁包括周向向内的凸起或肩部91.11，以便允许滤光器固定在相应腔中的侧壁之间。可通过粘附剂将滤光器94固定至凸起91.11。根据图9中示出的示例，滤光器94被安装在光发射器腔91.1中。另外，根据图9中示出的示例，检测器腔92.1也可包括类似的凸起92.11用于将光学盖95固定至该凸起。所述光学盖或板95仅用作保护检测器元件92.2的目的，并且可以薄板的形式配置，所述薄板应当至少部分对于预定的波长的光是透射的。也有可能的是，滤光器94安装在检测器腔92.1中，光学盖95安装在光发射器腔91.1中。另外，也有可能不使用滤光器94，而替代的是仅将光学盖95安装在光发射器和检测器腔中用于保护光发射器元件和检测器元件，即在使用窄带光发射器元件的情况下，所述窄带光发射器元件仅发射预定波长附近的窄带的光。

根据如图9中示出的示例，光声气体传感器90还包括接触引线96，其延伸至腔91.1和92.1中使得光发射器元件91.2和检测器元件92.2可通过例如如所图示出的引线结合而连接至接触引线96的内端。接触引线96可设置在与腔91.1和92.2的底壁相同的平面内或平面周围。接触引线96延伸至外部使得它们可连接至例如印刷电路板(pcb：printedcircuitboard)。接触引线96可由引线框架制造，如图9b中示出的光声气体传感器90的下部可通过将两个腔91.1和92.1模制到引线框架来制造。

图10包括图10a至图10c，示出根据第四方面的光声气体传感器的一个示例。图10中的光声气体传感器100包括光发射器单元101和检测器单元102。光发射器单元101包括光发射器腔101.1以及设置在腔101.1中的光发射器元件101.2。类似地，检测器单元102包括检测器腔102.1和设置在腔102.1中像例如微音器的检测器元件102.2。根据图10的示例以及可在图10b中看出的，光发射器腔101.1和检测器腔102.1以相对的关系设置，使得它们相应的侧壁通过例如粘附剂彼此连接，光发射器单元101和检测器单元102面向彼此。为使气体流入传感器的内部中，将在腔101.1和102.1中的一个或两者中的至少一个侧壁中设置开口。光声气体传感器100可还包括可具有与在先示例的相应元件相同功能的滤光器104和光学盖105。光声气体传感器100可还包括两个第一接触引线106，所述两个第一接触引线106均与光发射器单元101连接，且向下弯曲至检测器腔102.1的底板的平面。第二接触引线107设置在检测器腔102.1中，其中，所述第二接触引线107延伸穿过检测器腔102.1的底板，使得检测器元件102.2和可能的另外的电装置可通过例如后表面电接触垫或结合线电连接至第二接触引线107。

图10a表示制造光声气体传感器100的可能的方法。光发射器单元101和检测器单元102被独立制造，而可通过围绕两个第一接触引线106进行模制而制造发射器单元，可通过围绕第二接触引线107进行模制而制造检测器单元。此后，将发射器元件101.2设置在腔101.1中，并通过例如引线结合电连接至第一接触引线106的内端。同样地，将检测器元件102.2和可能的另外的电装置设置在检测器腔102.1中，并通过例如钎焊或引线结合电连接至第二接触引线107。此后，通过将发射器单元101和检测器单元102的相应的侧壁彼此粘附而将发射器单元101放置在检测器单元102上，然后第一接触引线106向下弯曲至检测器腔102.1的底壁的平面。

图11包括图11a至图11c，示出根据第四方面的光声气体传感器的一个示例。在以下范围内，即，就光发射器单元111和检测器单元112以相对的关系设置使得它们相应的侧壁通过例如粘附剂彼此连接并且光发射器单元111和检测器单元112面向彼此而言，如图11b中示出的光声气体传感器110基本上相应于图10中的在先示例的光声气体传感器100。与图10中的传感器的区别是，将光发射器单元111和检测器单元112彼此电连接的方式以及电连接至外部的方式。在图11的示例中，提供了将光发射器单元111连接至检测器单元112的第一接触引线116。另外提供了第二接触引线117，其连接至发射器单元111和检测器单元112中任一个，并且第二接触引线117均向下弯曲至检测器单元112的底壁的平面。图11a还表示制造光声气体传感器110的可能的方式，即通过首先制造如图11a中示出的中间产品，其中，制造光发射器单元111和检测器单元112并将它们通过第一接触引线116电连接至彼此，之后将光发射器单元111如箭头所指示那样朝向检测器单元112弯曲，然后将相应的侧壁通过例如粘附剂固定至彼此。用附图标记111.1(光发射器腔)、111.2(光发射器元件)、112.1(检测器腔)、112.2(检测器元件)、114(滤光器)和115(光学盖)表示的元件与光声气体传感器的在先示例中的那些元件类似。在应该避免直接照射检测器元件112.2的情况下，检测器单元112可还包括光吸收层118。

图12包括图12a和图12b，示出根据第四方面的光声气体传感器的一个示例。图12a中的光声气体传感器120和如图12b中示出的其制造方法与图11中的在先示例的那些类似，因此这里不再重复细节。图12中的示例示出以下作为另外的特征：怎样可提供气体进口开口。如图12b中示出的，可在光发射器单元121的光发射器腔121.1的一个或一个以上的侧壁中形成凹部121.11。当如由图12b中的箭头所示的那样组装光声传感器装置120时，凹部121.11形成如图12a中示出的气体进口开口128。图12a还示出安装在印刷电路板(pcb)130上并电连接至印刷电路板130的光声传感器装置120。

本公开还涉及根据第五方面的用于制造光声气体传感器的方法，其中，该方法包括：提供光发射器单元，所述光发射器单元包括光发射器腔和设置在所述光发射器腔中的光发射器元件，所述光发射器元件被配置用来发射具有预定的重复频率和预定的波长的光脉冲的光束，所述预定的重复频率和波长相应于待被感测的气体的吸收带；提供检测器单元，所述检测器单元包括检测器腔和设置在所述检测器腔中的检测器元件，其中，光脉冲的光束穿过旨在容纳所述气体的区域，所述检测器元件被布置用来检测以所述重复频率振荡的信号。

根据第五方面的方法的一个示例，所述方法包括制造根据第四方面的光声气体传感器，尤其是如上文结合图9至图12中之一一起描述的光声气体传感器。

尽管本文已经示出并描述具体实施例，但是本领域的普通技术人员将意识到在不背离本发明的范围的情况下，各种替代的和/或等同的实施方式可替代被示出并描述的所述具体实施例。本申请旨在覆盖对本文所讨论的具体实施例所作的任何调整或变化。因此，本发明旨在仅由权利要求及其等同方案限定。