专利名称：用于光声气体传感器的集成红外光源和声检测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光-声(photo-acoustic)气体检测器。更具体来说，本发明涉及包括红外光源和声检测器的集成封装的这种检测器。
背景技术：
近几年，光-声气体传感器已经作为用于多个气体感测应用的可行技术出现，其包括室内空气品质和按需控制通风中的C02监测，制冷剂和氨监测，易燃气体检测，以及其它。光声技术在许多方面与气体检测的非分光红外(NDIR)和其它光谱手段相似。所有的这些技术都利用气体样品对红外辐射的选择性吸收来确定样品的浓度或组成。光声感测技术并不依赖于直接测量通过气体样品的红外辐射量，却取而代之检测当气体吸收输入的红外辐射时所导致的气体样品的膨胀。如果以声频来对输入的辐射进行正弦调制，则采用低成本的检测装置如MEMS扩音器将所导致的气体膨胀能够检测为声波形。一般地，实际的光声气体传感器比传统NWR气体传感器相比以更小的气体感测室来实现，因为它们更少依赖于感测室内的光程长度以实现有用的检测灵敏度。这一区别允许采用微电子和MEMS制造技术在紧凑的集成封装内实现微型气体传感器成为可能。这在减少传感器封装尺寸以及制造要求的同时改进传感器性能，可靠性和成本方面是令人满意的。在现有技术中光声气体感测的功能原理是公知的。该传感器所要求的功能元件包括红外光源、光学波长选择滤波器、气体感测空间(检测室)、气体渗透膜或者允许气体自由扩散至检测室但是在气体膨胀时限制流出检测室的总体流量的阀、测量扩音器或其它合适的压力换能器，和用以调制红外光源以及获得和处理光声信号并且将所得到的测量结果输出的控制和信号处理装置。光声传感器还可能包括用于补偿或者消除环境噪声和压力变化对传感器的影响的结构。这可以通过采用单独的参考感测空间和参考扩音器来从所感兴趣的气体获得基本上没有声光分量的背景噪声信号来完成。从气体感测空间中所检测的信号中减去这一背景信号以产生基本上不受背景噪声影响的光声信号，从而提高传感器准确性。图1示出了已知传感器组件的结构来演示光声气体检测的功能原理。为了清楚起见，省略了对描述该通常功能原理不关键的传感器物理设计的某些方面。在该声光气体传感器1内，借助于反射器外壳3将红外光源2发出的调制红外光通过波长选择带通红外滤波器4引入气体感测空间5中，该空间由测量单元主体6和红外滤波器4限定。来自环境大气7的气体容易地通过测量单元主体中的气体渗透膜8和孔9扩散， 由此进入气体感测空间5。调制红外辐射的一部分被在感测空间内待检测的目标气体所吸收，从而引起借助于扩音器10检测的调制声压力波，该扩音器10通过测量单元主体中的开口 11与测量单元空间通信地耦合。通过合适选择红外光源、滤波器和扩音器特性，声压力波的大小将与感兴趣的目标气体的浓度直接相关。在这一示例中，扩音器和白炽灯红外光源的组件被部署在共享印刷电路板12上，该电路板12也可以包括关联的灯调制和处理电子电路(为清楚起见没有
3示出)。
图1示出了光声气体传感器的功能原理；和图2A，2B示出了根据本发明的声光气体传感器的第一实施例。
具体实施例方式尽管本发明的实施方式能够采用多个不同形式，但是在附图中示出其特定实施方式并且在此对其进行详细描述，应该理解的是本公开认为是本发明原理的一个范例，同时也是最佳的实施方式，并不是旨在将本发明限制到特定的实施方式。本发明的实施方式将核心光声传感器的功能元件集成在适合大量生产的单一的， 集成MEMS设备上。这些实施方式提供了由MEMS技术带来的坚固和低成本的优点。在本发明的一个方面中，集成的红外光源、固定波长红外滤波器和MEMS扩音器能够集成在单一组件封装内并且适用于气体测量单元。图2A和2B描述了其中将图1中描述的多个功能元件合并在可以通过MEMS和微电子封装技术制备的集成组件中的本发明的实施方式。图2A是本发明的部分剖面透视图， 以及图2B是图2A中所示的截面A-A平面的本发明的横截面侧视图。在本发明的这个实施方式中，注射成型塑料测量单元主体20与集成红外光源及扩音器组件主体，或者以通常用来封装晶体管和其它电子组件的密封金属罐组件封装的形式封装的封装21接合。这一类型的电子组件封装通常称为“晶体管罐封装或者TO罐”并且通常符合在由JEDEC和电子工业协会出版的电子工业规范所描述的尺寸。这些封装可用于大量标准尺寸并且相互连接管脚配置来适应特殊应用的需要。标准封装尺寸例如JEDEC T039或T08罐是能用于本发明的优选封装尺寸的典型例子。测量单元主体20的内表面镀有红外光反射材料(例如，但不限于镀金)以最大化引导到测量单元空间22内的气体的红外光能量，测量单元空间22是由测量单元主体20和集成组件封装 21连接在一起形成的。气体渗透膜23通过粘合剂或者其它合适的方式接合到测量单元主体20的外表面 20a。测量单元主体中的多个孔M位于气体渗透膜23的下部，并且为来自环境大气的气体扩散进入以及流出测量单元空间22提供流动路径。集成组件包括平面红外光源25、波长选择滤波器26和MEMS型扩音器27。所述红外滤波器覆盖所述组件封装21中的开口 28，开口观提供窗口，通过该窗口使选定波长的红外能量辐射进入测量单元空间22。在集成组件封装21内的内部隔板结构四阻止来自红外光源的辐射直接耦合到共享TO罐封装21内的MEMS扩音器。该隔板还在组件组装期间，为包含在真空下密封的红外光源的集成组件的一部分做准备。在气体测量空间内产生的声光信号通过集成组件封装顶表面中的开口 30与MEMS 扩音器通信地耦合。红外光源和MEMS扩音器通过使用通常在微电子和半导体封装中使用的类型的多条接合线32与集成组件的外部引线31相连接。处理电路36同样可以包括在集成组件封装21内，用于获取和处理来自扩音器27 的信号。可以理解的是，所述电路36可以形成在所述封装21中的半导体衬底上。所述衬底可以是支持扩音器27的相同衬底，或它可以是不同的。在本发明的一方面中，红外光源和检测元件两者的制造形成在单一的集成元件中并且合并到光-声气体检测器。信号处理电子电路也可以实现在相同管芯(die)上或者是在同一 TO罐封装内，导致光-声气体检测器的所有有效组件的单一芯片或单一组件解决方案。这一集成期望相对于现有技术实现提供可靠性和性能改进以及制造和成本效率。通过以上描述，可以观察到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以实现大量的变化和更改。应当理解的是，并不旨在关于在此阐明的特定实施方式进行限制或者也不应该推断关于在此阐明的特定实施方式进行限制。当然，旨在通过所附权利要求覆盖落入本权利要求的范围内的所有这些修改。
权利要求
1.一种光声气体传感器组件，包括 承载在半导体衬底上的红外光源；形成在所述相同衬底或第二半导体衬底上的集成扩音器，以及承载在第三衬底上的红外波长选择带通滤波器。
2.如权利要求1所述的光声气体传感器组件，其包括将所述光源、扩音器和红外滤波器收容在一起的集成组件封装。
3.如权利要求2所述的光声气体传感器组件，其另外包括形成在所述集成组件封装内的半导体衬底上的信号获取和信号处理电路。
4.如权利要求1所述的光声气体传感器组件，其中所述扩音器被实现为MEMS型换能
5.如权利要求2所述的光声气体传感器组件，其中所述组件外壳的封装符合金属罐晶体管外形封装或者其它工业标准半导体器件封装格式的要求。
6.如权利要求3所述的光声气体传感器组件，其中所述组件外壳的封装符合金属罐晶体管外形封装或者其它工业标准半导体器件封装格式的要求。
7.如权利要求2所述的光声气体传感器组件，其中所述红外光源基本上是平面的。
8.如权利要求3所述的光声气体传感器组件，其中所述红外光源基本上是平面的。
9.如权利要求2所述的光声气体传感器组件，其中所述红外光源包括薄膜导体。
10.如权利要求3所述的光声气体传感器组件，其中所述红外光源包括薄膜导体。
11.如权利要求2所述的光声气体传感器组件，其中所述红外光源包括灯丝导体。
12.如权利要求3所述的光声气体传感器组件，其中所述红外光源包括灯丝导体。
13.如权利要求2所述的光声气体传感器组件，其中所述红外光源包括红外发光二极管。
14.如权利要求3所述的光声气体传感器组件，其中所述红外光源包括红外发光二极管。
15.如权利要求2所述的光声气体传感器组件，其中所述波长选择带通滤波器选自包括至少介电型或二向色型红外滤波器的一类滤波器。
全文摘要
本发明涉及用于光声气体传感器的集成红外光源和声检测器。光声气体检测器包括集成光源、红外滤波器和声传感器。所述光源、滤波器和声传感器能集成在一个或多个半导体衬底上，如硅。处理电路同样也能集成在该衬底上。另外，光源、滤波器和声传感器能集成在单一组件封装内，例如金属罐晶体管封装。
文档编号G01N21/17GK102279156SQ20111018443
公开日2011年12月14日 申请日期2011年6月2日 优先权日2010年6月3日
发明者W·索尔森 申请人:霍尼韦尔国际公司