用于制造集成的微机械的流体传感器构件的方法,集成的微机械的流体传感器构件和借...的制作方法

文档序号:10540728阅读:466来源:国知局
用于制造集成的微机械的流体传感器构件的方法,集成的微机械的流体传感器构件和借 ...的制作方法
【专利摘要】本发明实现一种用于制造集成的微机械的流体传感器构件的方法、一种集成的微机械的流体传感器构件和一种用于借助于集成的微机械的流体传感器构件来检测流体的方法。方法包括下述步骤:构造(S01)第一晶片(W1),所述第一晶片在第一衬底(110)上具有第一布拉格镜(DBR1)并且具有光发射装置(112);其中光发射装置(112)被构造用于从光发射装置(112)的背离第一布拉格镜(DBR1)的表面(112?f)沿发射方向(R)发射光线(L);构造(S02)第二晶片,所述第二晶片在第二衬底(120)上具有第二布拉格镜(DBR2)并且具有光电二极管(116),其中光电二极管(116)布置在第二布拉格镜(DBR2)的朝向第二衬底(120)的表面(DBR2?b)上;将第一晶片(W1)接合(S3)或者粘接到第二晶片(W2)上,使得在光发射装置(112)的背离第一布拉格镜(DBR1)的侧(112?f)上,以及在第二布拉格镜(DBR2)的背离光电二极管(116)的表面(DBR2?f)上构造空腔(114),能够将流体(F)导入到所述空腔中,并且所述空腔能够由光线(L)穿越;并且从第一和第二晶片(W1,W2)分离(S04)流体传感器构件。
【专利说明】
用于制造集成的微机械的流体传感器构件的方法,集成的微机械的流体传感器构件和借助于集成的微机械的流体传感器构件来检测流体的方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种用于制造集成的微机械的流体传感器构件的方法,一种集成的微机械的流体传感器构件和一种用于借助于集成的微机械的流体传感器构件来检测流体的方法。流体尤其能够为气体或气体混合物。在检测时,尤其能够确定流体的或流体中的分子浓度或者流体种类。
【背景技术】
[0002]用于检测流体、例如气体混合物的组成部分(分析物)的光学的光谱学基于分析物与光子的相互作用。为了测量,通常使用下述结构,所述结构由光发射装置、例如LED或激光二极管,检测器、例如光电二极管或热电偶和光学的测量路段构成。光学的测量路段至少部分地延伸穿过要分析的流体,或者将要分析的流体导入到测量路段中。这例如能够主动地通过形成流动或者被动地通过允许对流或扩散来进行。读出检测器的信号,以便能够推断出例如流体种类或分子浓度。在此利用,发射的光由要分析的流体和/或分析物部分地吸收。
[0003]在WO 2005/026705 Al中描述一种气体检测方法和一种气体检测设备。气体检测设备具有表面发射器、VCSEL、测试腔和光传感器。光传感器检测由表面发射器发射的光线,所述光线已经在测试腔中穿越要检测的气体。借助于连接的电子装置来分析由光传感器产生的信号。
[0004]在所谓的腔内激光吸收光谱学、ICLAS(“intracavi ty laser absorpt1nspectroscopy”)中被充分利用的是,使得光在光学的共振器中穿过许多次。因为传感器的灵敏度取决于介质中的光学路径长度,所以借助ICLAS法能够实现极其高的灵敏度。

【发明内容】

[0005]本发明公开一种具有权利要求1的特征的用于制造集成的微机械的流体传感器构件的方法,一种具有权利要求9的特征的集成的微机械的流体传感器构件和一种具有权利要求10的特征的用于借助于集成的微机械的流体传感器构件来测量流体中的分子浓度的方法。
[0006]据此提出一种用于制造集成的微机械的流体传感器构件的方法,所述方法具有下述步骤:
构造第一晶片,所述第一晶片在第一衬底上具有第一布拉格镜和光发射装置;其中光发射装置被构造用于从光发射装置的背离第一布拉格镜的表面沿发射方向发射光线;
其中第一布拉格镜和光发射装置被构造在第一衬底的第一表面上,
其中光发射装置垂直地位于第一衬底的第一表面上,并且其中光发射装置和第一布拉格镜被构造成,使得射到第一布拉格镜上的、与发射方向相反地伸展的发射的光线能够以第一百分比沿发射方向的方向反射;
构造第二晶片,所述第二晶片在第二衬底上具有第二布拉格镜和光电二极管,其中光电二极管被布置在第二布拉格镜的朝向第二衬底的表面上;
将第一晶片接合或者粘接到第二晶片上,使得在光发射装置的背离第一布拉格镜的侧上,以及在第二布拉格镜的背离光电二极管的表面上构造空腔,流体能够被导入到所述空腔中并且所述空腔能够由光线穿越;
其中光发射装置和第二布拉格镜被构造和布置成,使得射到第二布拉格镜上的、沿发射方向伸展的发射的光线能够以第二百分比与发射方向相反地反射以及能够以其他的百分比透射;
其中光电二极管被构造和布置成,使得光线在穿越空腔之后并且在光线透射第二布拉格镜之后至少部分地射到光电二极管上;并且从第一和第二晶片分离流体传感器构件。
[0007]如果第一元件应在第二元件的表面“之上”构造,那么应将此不仅理解成,所述第一元件直接在第二元件上在表面上构造,而且理解成,所述第一元件根据角度在所述表面上方或者下方构造。如果第一元件应在第二元件的表面“上”构造,那么将此理解成,所述第一元件直接在表面上构造。如果第一元件应关于第二元件以确定的方式布置,那么就此不应该必然地确定,当第一元件被构造时,第二元件必须已经被构造。更确切地说,在此描述下述最终状态,本领域技术人员根据描述明白要制造所述最终状态。
[0008]光发射装置尤其能够具有量子讲(quantumwell)或腔或者由其构成。
[0009]空腔位于光学的共振器之内,所述光学的共振器在流体传感器构件中通过光发射装置和布拉格镜构造。通过在空腔中存在流体,共振器的光学特性改变(ICLAS)。所述改变能够通过测量光电二极管的信号、尤其是光强信号、例如在用已知的电流供给光发射装置时的功率或电压来确定。由此,能够推断出例如流体的或流体中的要检测的分子的分子浓度或者流体种类。有利地,空腔沿平行于发射方向的方向高于2μπι。由此,能够改进空腔中的流体与周围环境的交换。
[0010]此外,提出一种用于借助于根据本发明的集成的微机械的流体传感器构件来检测流体的方法,所述方法具有下述步骤:在流体处于空腔中的期间,记录P-1特性曲线,其中电流I是下述电流,借助所述电流供给光发射装置以发射光线,并且其中功率P是下述功率,所述功率在光电二极管上作为对射到光电二极管上的光线的反应在光电二极管上产生并且在光电二极管上被读出;确定阈值电流,所述阈值电流是下述电流I的值,在所述电流处,功率P在光电二极管上根据P-1特性曲线具有最终值;将确定的阈值电流与预先确定的基准阈值电流进行比较以检测流体。
[0011]发明优点
本发明所基于的认识在于,存在对具有极其紧凑的结构方式和技术上简单制造的流体传感器的需求。
[0012]本发明所基于的思想现在在于,考虑所述认识并且提供一种用于以晶片尺度制造集成的微机械的流体传感器构件的方法。这就是说,加工整个晶片并且随后分离流体传感器构件。
[0013]通过根据本发明的制造方法,能够实现流体传感器构件的极其紧凑的结构方式,例如小于10 X 1X 10mm3,尤其小于I X I X Imm3。流体传感器构件的灵敏度能够优于100ppm、尤其优于Ippm。通过以晶片尺度的生产,高的规模效应是可能的,例如能够同时制造数千个流体传感器构件。在此,流体传感器构件的特别紧凑的结构比台面有利。流体传感器构件和/或各个部件、例如激光发射装置有利地在晶片上已经能够测试。在分离流体传感器构件之后,其他的校准能够是不必的。
[0014]根据本发明的设备能够在多方面针对不同的边界条件优化,例如针对小的温度相关性,针对高的或低的灵敏度,针对小的阈值电流,小的功率消耗,和/或针对测量速度。
[0015]由于单片的集成的结构方式,流体传感器构件相对于加速或震动是特别鲁棒的。
[0016]根据本发明的流体传感器构件能够具有特别小的功率消耗,例如小于10mW、尤其小于ImW的功率消耗。也能够仅需要小的电流I,使得流体传感器构件也仅产生少量的废热。
[0017]根据本发明的流体传感器构件借助于根据本发明的制造方法能够以多种不同的波长、基于已知的表面发射器(VCSEL)技术调整进而能够用于多种流体,例如气体。例如,所述流体传感器构件能够借助2μπι的波长而被构造用于测量CO2的分子浓度。
[0018]根据本发明的流体传感器构件例如能够(但是不仅仅)在消费品、如手机中使用,在家政中作为气体警铃使用,在医药技术设备中使用,例如用于呼吸分析或者用于芯片上实验室分析和/或用于在液体中使用,例如用于燃料分析或者用于分析体液。混合的应用也是可以的,例如作为在移动电话上构造的呼吸酒精测试器使用。由于小的结构方式,例如也能够设想将具有微机械的半导体控制设备的流体传感器构件植入到人体中。
[0019]有利的实施方式和改进方案从从属权利要求以及从参考附图的描述中得出。
[0020]根据一个优选的改进方案,激光发射装置布置在第一布拉格镜和第一衬底之间。此外,将第二晶片接合或者粘接到第一晶片上通过下述方式进行,即将第二布拉格镜接合到第一衬底上并且将第一衬底结构化,使得在第一衬底中构造空腔。因此,不需要附加的间隔装置,这能够进一步地减少流体传感器构件的技术耗费和空间尺寸。
[0021]根据另一个优选的改进方案,将第一布拉格镜布置在第一衬底和光发射装置之间。第一晶片到第二晶片上的接合或者粘接借助于间隔装置来进行,并且空腔通过间隔装置来限定。由此,流体传感器构件能够在多方面匹配于不同的应用领域。也能够减少技术耗费。
[0022]根据另一个优选的改进方案,间隔装置借助下述步骤构造:在第一晶片上加工第一接触盘;在第二晶片上加工第二接触盘;在第一或第二接触盘上加工金属柱;并且将金属柱与第二或第一接触盘接合以用于将第一晶片接合到第二晶片上。
[0023]根据另一个优选的改进方案,间隔装置借助下述步骤构造:将牺牲层施加到第一或第二晶片上;将牺牲层结构化;施加导电层;将导电层结构化;并且在将第二晶片接合或者粘接到第一晶片上之后借助于间隔装置移除牺牲层。
[0024]根据另一个优选的改进方案,将光电二极管布置在第二衬底和第二布拉格反射器之间。
[0025]根据另一个优选的改进方案,第二衬底是对于光线基本上透明的衬底并且被布置在第二布拉格反射器和光电二极管之间。
[0026]根据另一个优选的改进方案,第三布拉格镜作为第一晶片的组成部分被构造在光发射装置的背离第一布拉格镜的表面上。光发射装置和第三布拉格镜被构造成,使得射到第三布拉格镜上的、沿发射方向的方向伸展的发射的光线能够以第三百分比与发射方向相反地反射以及能够以还另一百分比透射。通过应用第三布拉格镜,表面发射器的或光学共振器的阈值电流或阈值(thr e sho I d )能够降低。
【附图说明】
[0027]在下文中根据在附图的示意图中示出的实施例来详细阐述本发明。其中:
图1示出根据本发明的第一实施方式的流体传感器构件的示意横截面;
图2A示出根据本发明的第二实施方式的流体传感器构件的示意横截面;
图2B示出根据本发明的第三实施方式的流体传感器构件的示意横截面的一个区段;
图2C示出根据本发明的第四实施方式的流体传感器构件的示意横截面;
图3A示出根据本发明的第五实施方式的流体传感器构件的示意横截面中的一个区段; 图3B示出根据本发明的第六实施方式的流体传感器构件的示意横截面中的一个区段; 图4示出用于阐述用于制造根据本发明的流体传感器构件的方法的示意流程图;
图5A示出用于阐述根据本发明的另一个方面的用于借助于根据本发明的集成的微机械的流体传感器构件来检测流体的方法的示意流程图;以及
图5B示出用于阐述用于根据本发明的另一个方面来检测流体的方法的示意图。
[0028]在全部附图中,只要没有另作说明,相同的或功能相同的元件和设备配备有相同的附图标记。
【具体实施方式】
[0029]图1示出根据本发明的第一实施方式的流体传感器构件100的示意横截面。
[0030]根据图1,下面也阐述用于制造流体传感器构件100的根据本发明的制造方法。图1不是严格按照比例的,保护层没有示出。
[0031]将第一衬底110作为第一晶片Wl、例如扁平的硅晶片的部分提供。第一衬底110能够是金属的或者由高掺杂的硅构成,使得所述第一衬底是导电的。第一衬底110具有第一表面I ?ο-f和第二表面110-b,所述第一表面和第二表面基本上彼此平行。根据第一实施方式,在第一衬底110的第一表面Ι?ο-f上外延地生长第一布拉格镜DBR1。布拉格镜是有效的反射器,所述反射器由不同折射率的交替的第一和第二薄层DBRl-1、DBRl-(i+l)构成。在图1中,示例性地描绘多对这种薄层DBR1-1。但是,如图1中的点表示的,与示出的相比更多的或更少的层DBR-1也是可以的。层DBR-1的数量以及层的折射率能够根据要反射的光线的特性来选择。尤其是,当要反射的光线的波长接近层DBR-1的光学有效长度(Wirklaenge)的多倍时,布拉格镜能够是高质量的反射器,因为在层DBR-1上反射的光线结构化地干涉。
[0032]根据第一实施方式,第一布拉格镜DBRl被构造成,使得朝向第一衬底110的方向射到第一布拉格镜DBRl上(或进入到第一布拉格镜DBRl中)的光线由第一衬底110的第一表面110-f继续反射。第一布拉格镜DBRl具有第一表面DRBl-f和第二表面DBRl-b,所述第一表面和第二表面基本上彼此平行并且彼此背离。第一布拉格镜DBRl在第二表面DBRl-b处开始生长到第一衬底110的第一表面110-f上。
[0033]在背离第一表面110-f的表面DBRl-f之上,优选在其上,外延地生长光发射装置112。光发射装置112根据第一实施方式被构造为具有三个层112-1、112-2、112-3的量子阱(英语为“quantum well”)。光发射装置112被构造用于从光发射装置112的背离第一布拉格镜DBRl的侧112-f沿发射方向R发射光线L。光发射装置112和第一布拉格镜DBRl被实现为,使得射在第一布拉格镜DBRl上的、与发射方向R相反地伸展的光线L能够以第一百分比沿发射方向R的方向反射。第一百分比例如能够在99%和100%之间、有利地在99.8%和100%之间,尤其在99.9%和100%之间。
[0034]根据第一实施方式,在背离第一布拉格镜DBRl的表面112_f上构造挡流板118。挡流板118由结构化的氧化层构成,例如通过刻蚀,将位于内部的开口 H结构化到所述氧化层中。尤其是,开口 H对称地围绕流体传感器构件100的光学轴线OA布置。光学轴线OA平行于发射方向R并且垂直于表面110-b、110-f、DBRl-b、DBRl-f和112-f布置。挡流板能够用于,量子阱的一定区域能够在开口 H的周围环境中尽可能均匀地通流。因此,在所述区域中,能够得出特别均匀的电流强度,所述电流强度在所述区域中与光发射装置112的其他区域相比更大。光发射装置112的光发射因此可以在开口 H的区域中加强地进行。
[0035]在挡流板118的背离光发射装置112的表面上构造另一个布拉格镜DBR3,所述另一布拉格镜在下文中称作为第三布拉格镜DBR3。第三布拉格镜DBR3和光发射装置112被实现成,使得射到第三布拉格镜DBR3上的、沿发射方向R的方向伸展的光线L能够以第三百分比与发射方向R相反地反射。第三百分比例如能够在95%和100%之间,尤其在96%和99%之间,完全特别在98%和99%之间。尤其是,第三百分比有利地小于第二百分比。此外,光线L以另一百分比透射穿过第三布拉格镜DBR3。另一百分比明显小于第三百分比并且尤其能够是数字I减去第三百分比的剩余。
[0036]因此,借助第一布拉格镜DBRl、光发射装置112和第三布拉格镜DBR3,已经构造光学共振器。因为光线L垂直于第一衬底110的表面110-f发射,所以部件第一衬底110、第一布拉格镜DBRl、激光发射装置112、挡流板118和第三布拉格镜DBR3称作为表面发射器V(也称作为VCSEL,英语为“vertical-cavity surface-emitting laser”)。
[0037]在第一衬底110的第二表面110-b上,第一电接触部140能够被构造为结构化的金属层。根据第一实施方式,此外,在第三布拉格镜DBR3的背离光发射装置112的侧DBR3-f上,第二电接触部142被构造为结构化的金属层。第二电接触部142利用空腔114来构造,使得光线L在空腔114之内能够沿平行于发射方向R的方向完全穿越第二电接触部142的结构化的金属层。光学轴线OA在第二电接触部之内同样完全在空腔114之内伸展。此外,第二接触部142被结构化成,使得流体F能够从流体传感器构件100的外侧导入到空腔114中。经由第一和第二电接触部140、142,能够电抽吸表面发射器V。对此,能够使用控制设备,所述控制设备具有功率电子元件。
[0038]有利地,在第一衬底110上能够构造多个表面发射器V,所述表面发射器分别具有相应的第一和第二电接触部140、142。因此,形成具有多个表面发射器V的第一晶片Wl,所述表面发射器在第一衬底110上以台面的形式构造。
[0039]为了制造第二晶片W2,在第二衬底120上施加光电二极管116的有源区。在此,光电二极管的第一表面116-b贴靠在第二衬底120的第一表面120-f上。第二衬底120优选是η掺杂的。为了避免生长缺陷并且为了衬底匹配,可选地,能够在第二衬底120和光电二极管116之间施加缓冲层。光电二极管116的有源区优选由在第二衬底120或缓冲层上施加的η掺杂的层116-1和在其上施加的尽可能薄的P掺杂的层116-3构成。因此,光线L的一大部分能够达到pn结。根据第一实施方式,在p掺杂的和η掺杂的层116-3、116-11之间沉积可选的本征层116-2。由此,截止电压能够提高和/或截止层电容能够降低。用于有源区的常见的材料是Si (尤其用于至1.1ym的波长范围)、Ge(尤其用于至1.8μηι的波长范围)以及GeAu、GaAs、InGaAs或CdTe。
[0040]根据第一实施方式,在光电二极管116的背离第二衬底120的尤其为P掺杂层116-3的表面的第二表面116-f上,第二布拉格镜DBR2利用第二布拉格镜DBR2的第二表面DBR2-b来构造。围绕不导电的第二布拉格镜DBR2,在光电二极管的第二表面116-f上构造第三电接触部144。经由第三电接触部144和作为第四电接触部146的导电的第二衬底120,能够读出位于光电二极管116上的电压U,尤其基于落到光电二极管116上的光线L。
[0041 ]光发射装置112和第二布拉格镜DBR2被实现成,使得朝向光电二极管116的方向射到第二布拉格镜DBR2上的光线L能够以第二百分比沿相反的方向反射。第二百分比例如能够在99%和100%之间,有利地在99.8%和100%之间,尤其在99.9%和100%之间。尤其是,第二百分比有利地大于第三百分比。
[0042]第一、第二和第三布拉格镜DBRl、DBR2、DBR3能够分别具有厚度分别不同的不同的介电层081?1-丨、081?2-丨、081?-丨。布拉格镜081?1、081?2、081?的准确的构造允许,光学共振器匹配于光线L的期望的波长并且流体传感器构件100被设计用于一个或多个确定的流体种类(例如,⑶2)。第二布拉格镜DBR2在平行于发射方向R并且平行于光学轴线OA的方向上的宽度B2根据第一实施方式小于第一和/或第三布拉格镜DBRUDBR3在平行于发射方向R并且平行于光学轴线OA的方向上的宽度B1、B3。
[0043]第二布拉格镜DBR2借助背离第二衬底120的第一表面DBR2-f接合到第二电接触部142上,所述第二电接触部由此用作因此连接的第一和第二晶片W1、W2之间的间隔装置150。空腔114在此保持可从外部进入。为了接合,在第二布拉格镜DBR2的表面DBR2-f上能够构造接触盘(在图1中没有示出)。第二布拉格镜DBR2被接合成,使得沿着光学轴线OA伸展的光线L穿过空腔114射到第二布拉格镜DBR2上并且从那里以第二百分比与光发射装置112相反地反射。此外,光线L以另一百分比透射穿过第二布拉格镜DBR2。所述另一百分比明显小于第二百分比并且尤其能够是数字I减去第二百分比的剩余。空腔114的尺寸、尤其空腔114平行于发射方向R的高度h能够与布拉格镜DBRl、DBR2、DBR3—起有利地根据光线L的波长来调整,使得得到尤其有效的光学共振器。
[0044]由第二布拉格镜DBR2透射的光线L射到光电二极管116上并且在那里造成电压降,所述电压降能够在第三电接触部144和作为第四电接触部146的第二衬底120上读出。对此,第二衬底导电地构造。
[0045]图2A示出根据本发明的第二实施方式的流体传感器构件200的示意横截面。
[0046]第二实施方式基本上是第一实施方式的变型。与第一实施方式相反,第二实施方式不具有挡流板118,并且第二电接触部143不用作间隔装置并且也不限定空腔114。
[0047]此外,第三电接触部145平面地布置在光电二极管116的第二表面116-f和第二布拉格镜DBR2的第二表面DBR2-b之间。第二电接触部143扁平地构造在第三布拉格镜DBR3的背离光发射装置112的表面DBR3-f上并且尤其使围绕光学轴线OAF的区域B4露出。在区域B4之内构造有间隔装置152,将第二布拉格镜DBR2接合到所述间隔装置上以用于将第二晶片W2-2与第一晶片W1-2连接。第二电接触部143与第二布拉格镜DBR2间隔开。第二布拉格镜DBR2因此也能够是导电的。作为选择方案,所述第二布拉格镜因此能够替代第三电接触部143。
[0048]根据第二实施方式,通过下述方式制成间隔装置152,将一个或多个绝缘的牺牲层(例如由氧化物构成)和交替的导电层(例如由金属构成)施加到第三布拉格镜DBR3的表面DBR3-f上并且结构化。结构化能够与CMOS加工时的金属化工艺类似地进行。第二电接触部143的构造能够有利地在施加结构化的金属的导电层之一的范围中进行。例如,在将第一和第二晶片Wl-2、W2-2接合之后,能够移除牺牲层,在氧化物的情况下例如通过HF液态刻蚀。有利地,间隔装置152和/或第二布拉格镜DBR2根据第二实施方式不导电地构造。
[0049]第二和第三布拉格镜DBR2、DBR3之间的空腔114和间隔装置152被实现成,使得光线L能够一一不由间隔装置152阻碍地一一穿过空腔114连同位于其中的流体F从第三布拉格镜DBR3引导到第二布拉格镜DBR2上。
[0050]图2B示出根据本发明的第三实施方式的流体传感器构件300的示意横截面的一个区段。
[0051 ]第三实施方式是第二实施方式的变型,所述第三实施方式与所述第二实施方式的不同之处在于第二晶片W2-3的形式和制造,所述第二晶片单独在图2B中示出。
[0052]根据第三实施方式,第二布拉格镜DBR2在第二衬底220的第一表面220-f上构造、例如外延地生长。在第二衬底220的背离第一表面220-f的第二表面220-b上构造有缓冲层117。在缓冲层117的背离第二衬底220的表面117-b上构造有光电二极管116,其中光电二极管116的第一表面116-b贴靠在缓冲层117上。因此,光电二极管116布置在第二布拉格镜DBR2的朝向第二衬底220的表面DBR2-b上。在光电二极管116的第二表面116-b上构造、例如蒸镀第四电接触部147。
[0053]根据第三实施方式,第二衬底220对于光线L基本上是透明的。例如能够使用蓝宝石或Si02。
[0054]图2C示出根据本发明的第四实施方式的流体传感器构件300的示意横截面。
[0055]第四实施方式基本上是根据图2A的第二实施方式的变型并且与所述第二实施方式的不同之处在于所使用的间隔装置154、155、156。根据第四实施方式,间隔装置154、155、156的构造借助下述步骤进行:
在第一晶片W1-4上、尤其在第三布拉格镜DBR3的背离光发射装置112的表面DBR3-f上加工第一接触盘155;
在第二晶片W2-4上、尤其在第二布拉格镜DBR2的背离第二衬底120的表面DBR2-f上加工第二接触盘156;
在第一接触盘155上加工金属柱154;并且将金属柱154与第二接触盘150接合以用于将第一晶片Wl -4接合到第二晶片W2-4上。
[0056]图3A示出根据本发明的第五实施方式的流体传感器构件的示意横截面中的一个区段。
[0057]第五实施方式是第一实施方式的变型,所述第五实施方式与所述第一实施方式的不同之处主要在于,第五实施方式不具有第三布拉格镜DBR3。此外,在第五实施方式中,第二电接触部143也不用作间隔装置并且也不限定空腔114’。流体传感器构件在技术上能够较少地耗费。此外,得到对光线的波长稳定性的改变的影响,在光学共振器中穿过流体F的更多的循环是可以的,由此能够提高电流阈值。
[0058]第一衬底110、第一布拉格镜DBRl和光发射装置112的结构如参考图1描述地那样进行。在光发射装置112的背离第一布拉格镜DBRl的侧112-f上直接地构造间隔装置152以用于限定空腔114’,所述空腔根据图2A并且参考第二实施方式描述。
[0059]也就是说,根据第五实施方式,通过下述方式制成间隔装置152,将一个或多个绝缘的牺牲层(例如由氧化物构成)和交替的导电层(例如由金属构成)施加到光发射装置112的表面112-f上并且结构化。结构化能够与CMOS加工时的金属化工艺类似地进行。
[0060]用于用电功率供给光发射装置112的第二电接触部143’的构造根据第五实施方式不是作为第一晶片W1-5的部分、而是作为第二晶片W2-5的部分进行,更确切地说在第二布拉格镜DBR2的朝向第二衬底120 (没有示出)的表面DBR2-b上。与此相应地,根据第五实施方式,间隔装置152以及第二布拉格镜DBR2导电地构造。在第二电接触部143’和第二晶片W2-5(没有示出)的剩余、诸如第二衬底120和光电二极管116之间例如能够构造不导电的层,经由所述不导电的层例如如参考图2A描述的那样连接第三电接触部145,所述第三电接触部用于截取光电二极管116上的电压。相应的措施对本领域技术人员而言是已知的。
[0061]例如在接合第一和第二晶片W1-5、W2_5之后,能够移除牺牲层,在氧化物的情况下例如通过HF液态刻蚀。
[0062]第二布拉格镜DBR2和光发射装置112之间的空腔114’和间隔装置152被实现成,使得光线L能够一一不受间隔装置152阻碍地一一穿过空腔114’连同位于其中的流体F从第三光发射装置112引导到第二布拉格镜DBR2上。
[0063]图3B示出根据本发明的第六实施方式的流体传感器构件的示意横截面中的一个区段。
[0064]第六实施方式是第五实施方式的变型,所述第六实施方式与第五实施方式的不同之处主要在于间隔装置154、155、156的形式。根据第六实施方式,同样不设有第三布拉格镜DBR3。间隔装置154、155、156的实施与第四实施方式相似地进行,也就是说具有下述步骤:
在第一晶片W1-6上,尤其在光发射装置112的背离第一布拉格镜DBRl的表面112-f上加工第一接触盘155;
在第二晶片W2-6上,尤其在第二布拉格镜DBR2的背离第二衬底120的表面DBR2-f上加工第二接触盘156;
在第一接触盘155上加工金属柱154;并且将金属柱154与第二接触盘156接合以用于将第一晶片W2-6接合到第二晶片W2-6上。
[0065]根据第六实施方式,间隔装置154、155、156以及第二布拉格镜DBR2同样是导电的。
[0066]图4示出用于阐述用于制造根据本发明的流体传感器构件的方法的示意流程图。方法步骤的编号不应规定特别的顺序,而是用于逻辑划分。尤其是,多个步骤能够完全地或部分地同时进行。
[0067]在步骤SOl中,在第一衬底110上具有第一布拉格镜DBRl和光发射装置112的第一晶片¥1;¥1-1;¥1-2;¥1-4;¥1-5;胃1-6被构造。光发射装置112在第一布拉格镜081?1的第一表面DBRl-f上构造。光发射装置112被构造用于从光发射装置112的背离第一布拉格镜DBRl的表面112-f沿发射方向R发射光线L。第一布拉格镜DBRl和光发射装置112在第一衬底110的第一表面110-f上构造。发射方向R垂直于第一表面110-f。光发射装置112或者光发射装置112和第一布拉格镜DBRl被构造成,使得射到第一布拉格镜DBRl上的、与发射方向R相反地伸展的发射的光线L能够以第一百分比沿发射方向R的方向反射。
[0068]在步骤S02中,在第二衬底120上具有第二布拉格镜DBR2和光电二极管116的第二晶片W2; W2-1; W2-2 ; W2-4 ; W2-5 ; W2-6被构造,其中光电二极管116被布置在第二布拉格镜DBR2的朝向第二衬底120; 220的表面DBR2-b上。
[0069]在步骤S03中,将第一晶片Wl;Wl-l;Wl-2;Wl-4;Wl-5;Wl-6接合到第二晶片W2;W2-1;¥2-2;¥2-4;¥2-5;胃2-6上,使得在光发射装置112的背离第一布拉格镜081?1的侧1124上,以及在第二布拉格镜DBR2的背离光电二极管116的表面上构造空腔114、114’,能够将流体F导入到所述空腔中并且所述空腔能够由光线L穿越。
[0070]光发射装置112和第二布拉格镜DBR2被构造和布置成,使得射到第二布拉格镜DBR2上的、沿发射方向R的方向伸展的发射的光线L能够以第二百分比与发射方向R相反地反射以及能够以其他的百分比透射。
[0071]光电二极管116被构造和布置成,使得光线L在穿越空腔114;114’之后并且在光线L透射第二布拉格镜DBR2之后至少部分地射到光电二极管116上。
[0072]在步骤S04中,将流体传感器构件从第一和第二晶片Wl;Wl-l;Wl-2;Wl-4;Wl-5;Wl -6;W2; W2-1 ; W2-2 ; W2-4 ; W2-5 ; W2-6 分离。
[0073]图5A示出用于阐述根据本发明的另一方面的用于借助于根据本发明的集成的微机械的流体传感器构件来检测流体的方法的示意流程图。在此,也参考图5B。
[0074]图5B示出用于阐述根据本发明的其他方面的用于检测流体的方法的示意图。
[0075]在步骤SII中,在流体F位于空腔114中期间,记录第一P_I特性曲线。在此,电流I是下述电流,借助所述电流供给光发射装置112以用于发射光线L,例如经由第一和第二电接触部140、142、143、143’供给。为了记录第一P-1特性曲线,电流尤其在电流最小值Imin和电流最大值Imax之间改变,例如稳定地、尤其单调地或严格单调地增大或减小。改变也能够非稳定地以离散的电流值进行。电流最小值I*也能够为零mA。
[0076]功率P是下述功率,所述功率在光电二极管116上作为对射到光电二极管116上的光线L的反应在光电二极管116上产生并且在光电二极管116上例如作为电压读出,例如经由第三和第四电接触部144、145、146、147读出。
[0077]在步骤S12中确定第一阈值电流Is,mg,所述阈值电流是电流I的下述值,在所述值处,功率P在光电二极管116上根据第一 P-1特性曲线具有最终值。
[0078]在步骤S13中,将确定的第一阈值电流Is,mg与预先确定的参考阈值电流Is,进行比较以用于检测流体F。根据参考图5A描述的实施方式,预先确定的参考阈值电流Is,是根据第二 P-1特性曲线K2的第二阈值电流。第二 P-1特性曲线K2基本上类似于第一特性曲线Kl记录,然而与第一P-1特性曲线Kl不同的是流体F不处于空腔114; 114’中。例如,当在空腔114;114’中提供真空时,可以记录第二P-1特性曲线K2。
[0079]在步骤S13中进行的比较例如能够通过与根据本发明的流体传感器构件连接的电子控制设备来进行。
[0080]替代地,能够在空腔114;114’中提供根据要检测的流体来确定的参考流体。如果作为流体F例如要检测人类呼气,其中尤其应确定呼气中的酒精分子的分子浓度,那么能够记录第二P-1特性曲线K2,而平均人类呼气作为参考流体位于空腔114、114’中。通过与气象站的联系与核对,可选地能够接收关于参考流体的改进的信息。
[0081]如果光发射装置112连续地、例如超过若干微秒地运行,那么根据本发明的集成的微机械的流体传感器构件中、尤其光学共振器中的温度能够升高。由此,由光发射装置112发射的光线L的波长能够移动。有利地,光发射装置112短脉冲式地运行。替代地,光发射装置112也能够以瞬态运行,因为在光学共振器中产生的温度仅轻微地取决于环境温度。如果将流体传感器构件在其他设备中使用,那么也能够使用在那里已经存在的热沉,以便低地保持环境温度的效应。
[0082]发射的光线L的波长由于描述的温度效应的移动也能够有意地使用,以便超过所期望的范围来改变波长。这在下述情况下能够是有利的,例如要检测具有特别窄的吸收峰的气体。对此,在流体传感器构件由于光发射装置112的连续运行而持续升温期间,能够读出光电二极管116的电压U。
[0083]虽然根据优选的实施例在上文中描述本发明,但本发明不局限于此,而是能够以多种类型和方式修改。尤其是,本发明能够以多种方式改变或修改,而不偏离本发明的核心。
[0084]例如,间隔装置也能够通过下述方式实现,将至少一个间隔保持件(间隔件)施加到第一或第二晶片上。间隔保持件要么能够已经减薄地借助于承载结构、例如承载晶片施加,要么能够在施加之后背面减薄。间隔保持件的材料例如能够是Si或具有Si,所述Si以具有多个贯通通道的框架的形式结构化。第一和第二晶片之间的接合例如通过例如氧化层上的激活的Si直接接合来进行,所述氧化层结构化地位于第一和第二晶片的表面上。贯通通道的结构化也能够在加工接合之后进行。
[0085]间隔装置也能够通过下述方式实现,在被构造为台面的部件旁边在第一或第二晶片上生长柱,将分别另外的晶片接合到所述柱上。
[0086]光电二极管的接触也能够一一例如替代在第二布拉格镜和光电二极管之间一一在第二布拉格镜的背离第二衬底的表面上进行,其中所述第二布拉格镜导电地构造。
[0087]如果流体传感器构件的所需要的灵敏度是非常小的,也能够被构造为不具有外部的腔。在安装晶片时,能够将空腔的标准件效应用于波长调整。
[0088]也能够引入过滤器。在此,能够使用表面发射器的宽的增益光谱一一也在阈值(threshold)之下,并且通过过滤器能够滤出相关的波长。
[0089]在第二布拉格镜的朝向空腔的表面之上、尤其在其上能够有利地构造其他层。例如,能够构造抗反射保护层,所述抗反射保护层优选与以下波长协调,在该波长的情况下流体的分析物或者流体中的分析物具有最大的吸收横截面。此外,能够在露出流体的表面上构造一一尽可能惰性的一一吸附保护层。通过惰性的材料,能够实现与确定的分子种类的特别小的吸附焓。此外,能够设有光学挡板,以便对光线的路径进行空间限界。
[0090]经由流体传感器构件的结构,尤其是各个层的高度和使用的材料,尤其是半导体材料体系,能够针对不同的流体、例如C02、N0x、03灵敏地调整流体传感器构件。
[0091]布拉格镜能够通过下述方式针对不同的应用优化,即例如改变具有不同的折射率的层的对数。在此,例如能够关于低的电流阈值、高的灵敏度、稳定的波长或技术上少耗费地优化结构方式。
[0092]—些层或元件、例如第二布拉格镜也能够比在图中示意地示出的那样更宽地构造,例如具有对应于流体传感器构件的引脚的尺寸或更大。
[0093]光电二极管和/或第二晶片能够被构造和布置成,使得多个光发射装置和/或第一晶片的多个表面发射器的光线至少部分地射到光电二极管上。流体传感器构件在该情况下具有多个台面。由此,能够提高测量准确性,因为经由多个空腔能够取平均值并且光线穿过流体的路径能够利用台面的数量缩放。
[0094]为了检测流体,光发射装置112能够替代地经由控制设备在流体F位于空腔114、114 ’中的情况下由恒定的电流I供给,同时对在光电二极管116上产生的电压U进行分析。
[0095]另一个变型在于,借助于控制设备分析电流I,所述电流在流体F位于空腔114、114’中时为了达到光电二极管116上的预先确定的电压U而所需。
【主权项】
1.用于制造集成的微机械的流体传感器构件的方法,具有下述步骤: 构造(SOl)第一晶片(Wl;Wl-2;Wl-4;Wl-5;Wl-6),其在第一衬底(110)上具有第一布拉格镜(DBRl)和光发射装置(112);其中所述光发射装置(112)被构造用于从所述光发射装置(112)的背离所述第一布拉格镜(DBRl)的表面(112-f )沿发射方向(R)发射光线(L); 其中所述第一布拉格镜(DBRl)和所述光发射装置(112)在所述第一衬底(I 10)的第一表面(110-f)上构造,其中所述发射方向(R)垂直于所述第一表面(110-f),并且其中所述光发射装置(112)和所述第一布拉格镜(DBRl)被构造成,使得射到所述第一布拉格镜(DBRl)上的、与所述发射方向(R)相反地伸展的发射的光线(L)能够以第一百分比沿所述发射方向(R)的方向反射; 构造(302)第二晶片(¥2;¥2-2;¥2-3;¥2-4;¥2-5;胃2-6),其在第二衬底(120)上具有第二布拉格镜(DBR2)和光电二极管(116),其中所述光电二极管(I 16)布置在所述第二布拉格镜(DBR2 )的朝向第二衬底(120; 220 )的表面(DBR2_b )上; 将所述第一晶片(Wl;Wl-2;Wl-4;Wl-5;Wl-6)接合(S03)或者粘接到所述第二晶片(W2;¥2-2;¥2-3;¥2-4;¥2-5;胃2-6)上,使得在所述光发射装置(112)的背离所述第一布拉格镜(DBRl)的侧(112-f )上,以及在所述第二布拉格镜(DBR2)的背离所述光电二极管(116 )的表面(DBR2-f)上构造空腔(114),流体(F)能够导入到所述空腔中,并且所述空腔能够由所述光线(L)穿越; 其中所述光发射装置(112)和所述第二布拉格镜(DBR2)被构造和布置成,使得射到所述第二布拉格镜(DBR2 )上的、沿所述发射方向(R)的方向伸展的发射的光线(L )能够以第二百分比与所述发射方向(R)相反地反射以及能够以另一百分比透射; 其中所述光电二极管(116)被构造和布置成,使得所述光线(L)在穿越所述空腔(114)之后并且在所述光线(L)透射所述第二布拉格镜(DBR2)之后至少部分地射到所述光电二极管(116)上;和 从所述第一和第二晶片(町;町-2;¥1-4;町-5;¥1-6;¥2;¥2-2;¥2-3;¥2-4;¥2-5;¥2-6)分离(S04)所述流体传感器构件。2.根据权利要求1所述的方法, 其中所述激光发射装置(112)布置在所述第一布拉格镜(DBRl)和所述第一衬底之间;并且 其中将所述第二晶片接合(S03)或者粘接到所述第一晶片上通过下述方式进行,即将所述第二布拉格镜(DBR2)接合或者粘接到所述第一衬底上;并且 其中将所述第一衬底结构化,使得在所述第一衬底中构造有所述空腔。3.根据权利要求1所述的方法, 其中将所述第一布拉格镜(DBRl)布置在所述第一衬底(110)和所述光发射装置(112)之间; 其中将所述第一晶片(11;¥1-2;¥1-4;¥1-5;胃1-6)接合(503)或者粘接到所述第二晶片([;¥2-2;[-3;¥2-4;[-5;¥2-6)上借助于间隔装置(150;152;154;155;156)进行,并且 其中所述空腔(114; 114’)通过所述间隔装置(150; 152; 154; 155; 156)来限定。4.根据权利要求3所述的方法, 其中所述间隔装置(I54; 155; 156)借助下述步骤来构造: 在所述第一晶片(Wl-4;Wl-6)上加工第一接触盘(155); 在所述第二晶片(W2-4;W2-6)上加工第二接触盘(156); 在所述第一或第二接触盘(155,156)上加工金属柱(154);并且 将所述金属柱(154)与所述第二或第一接触盘(155,156)接合以用于将所述第一晶片(Wl-4;Wl-6)接合(S03)到所述第二晶片(W2-4;W2-6)上。5.根据权利要求3所述的方法, 其中所述间隔装置(152)借助下述步骤来构造: 将牺牲层施加到所述第一或第二晶片(Wl-2; Wl-5; W2-2; W2-5)上; 将所述牺牲层结构化; 施加导电层; 将所述导电层结构化;并且 在借助于所述间隔装置(152)将所述第二晶片(W2-2;W2-5)接合(S03)或粘接到所述第一晶片(Wl -2; Wl -5 )上之后,移除所述牺牲层。6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法, 其中所述光电二极管(116)布置在所述第二衬底(120;220)和所述第二布拉格反射器(DBR2)之间。7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法, 其中所述第二衬底(220)是对于所述光线(L)基本上透明的衬底(220); 其中所述第二衬底(220)布置在所述第二布拉格反射器(DBR2)和所述光电二极管(116)之间。8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法,具有下述步骤: 将第三布拉格镜(DBR3)作为所述第一晶片(W1;W1-2;W1_4)的组成部分构造(S05)在所述光发射装置(112)的背离所述第一布拉格镜(DBRl)的表面(112-f)上,其中所述光发射装置(112)和所述第三布拉格镜(DBR3)被构造成,使得射到所述第三布拉格镜(DBR3 )上的、沿所述发射方向(R)的方向伸展的发射的光线(L)能够以第三百分比与所述发射方向(R)相反地反射以及能够以还另一百分比透射。9.集成的微机械的流体传感器构件,具有: 第一晶片(11;¥1-2;¥1-4;¥1-5;胃1-6),其在第一衬底(110)上具有第一布拉格镜(DBRl)和光发射装置(112);其中所述光发射装置(112)被构造用于从所述光发射装置(112 )的背离所述第一布拉格镜(DBRl)的表面(112-f )沿发射方向(R)发射光线(L); 其中所述第一布拉格镜(DBRl)和所述光发射装置(112)在所述第一衬底(I 10)的第一表面(110-f)上构造,其中所述发射方向(R)垂直于所述第一表面(110-f),并且其中所述光线(L)和所述第一布拉格镜(DBR1)被实现成,使得射到所述第一布拉格镜(DBR1)上的、与所述发射方向(R)相反地伸展的光线(L)能够以第一百分比沿所述发射方向(R)的方向反射; 第二晶片,其在第二衬底(120)上具有第二布拉格镜(DBR2)和光电二极管(116),其中所述光电二极管(I 16)布置在所述第二布拉格镜(DBR2)的朝向所述第二衬底(120; 220)的表面(DBR2-b)上; 其中所述第一晶片(Wl;Wl-2;Wl-4;Wl-5;Wl-6)接合或者粘接到所述第二晶片(W2;W2-2;¥2-3;¥2-4;¥2-5;胃2-6)上,使得在所述光发射装置(112)的背离所述第一布拉格镜(DBRl)的侧(112-f )上,以及在所述第二布拉格镜(DBR2)的背离所述光电二极管(116 )的表面(DBR2-f)上构造空腔(114; 114’),流体(F)能够导入到所述空腔中,并且所述空腔能够由所述光线(U穿越; 其中所述光发射装置(112)和所述第二布拉格镜(DBR2)被构造和布置成,使得射到所述第二布拉格镜(DBR2 )上的、沿所述发射方向(R)的方向伸展的发射的光线(L )能够以第二百分比与所述发射方向(R)相反地反射以及能够以另一百分比透射; 其中所述光电二极管(116)被构造和布置成,使得所述光线(L)在穿越所述空腔(114;114’)之后并且在所述光线(L)透射所述第二布拉格镜(DBR2)之后至少部分地射到所述光电二极管(116)上。10.用于借助于根据权利要求9所述的集成的微机械的流体传感器构件来检测流体的方法,具有下述步骤: 在流体(F)位于所述空腔(114; 114’)中期间记录(Sll)P-1特性曲线(Kl),其中电流I是下述电流,借助所述电流供给所述光发射装置(112)以用于发射光线(L),并且其中功率P是下述功率,所述功率在所述光电二极管(116)上作为对射到所述光电二极管(116)上的光线(L)的反应在所述光电二极管(116)上产生并且在所述光电二极管(116)上被读出; 确定(S12)阈值电流(Is,mg),所述阈值电流是电流I的下述值,在所述值处,所述功率P在所述光电二极管(116 )上根据所述P-1特性曲线(KI)具有最终值; 将确定的阈值电流(Is,mg)与预先确定的参考阈值电流(Is,。8)进行比较(S13),以用于检测流体(H。
【文档编号】H01S5/183GK105899938SQ201480073169
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年11月21日
【发明人】R.菲克斯, R.哈特克, J.贝因特纳
【申请人】罗伯特·博世有限公司
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