用于光声气体传感器的检测器单元和光声气体传感器的制作方法

[0001]
本公开涉及用于光声气体传感器的检测器单元、光声气体传感器以及用于制造检测器单元和光声气体传感器的方法。本公开还涉及晶片级接合的光声检测器单元。


背景技术：

[0002]
光声气体传感器可以用于测量环境条件，例如，流体(尤其是气体)的部分。
[0003]
存在对于具有高耐用性且在寿命期间稳健的检测器单元和对具有高耐用性且在寿命期间稳健的光声气体传感器的需要。还存在对于用于制造检测器单元和光声气体传感器的方法的需要。


技术实现要素：

[0004]
实施例提供一种用于光声气体传感器的检测器单元。该检测器单元包括第一层结构、布置在所述第一层结构处并且包括膜结构的第二层结构、以及布置在第二层结构处的第三层结构。第一层结构和第三层结构气密地封闭腔，其中膜结构布置在腔中。通过将腔封闭在第一层结构和第三层结构之间，密封以气密地封闭腔可以具有高耐用性和高稳健性。
[0005]
实施例提供了一种光声气体传感器，该光声气体传感器包括这样的检测器单元并且包括电磁源，该电磁源被配置用于发射电磁辐射，以便基于腔的不同子腔中的电磁辐射的非对称能量吸收来激发膜结构的移动，不同的子腔布置在膜结构的不同侧上。
[0006]
实施例提供了包括检测器单元的芯片级封装光声气体传感器，该检测器单元具有在检测器单元腔内部的膜结构，在膜结构的第一侧处夫人腔的第一子腔并且在膜结构的相对的第二侧处的腔的第二子腔。芯片级封装光声气体传感器包括电磁源，该电磁源被配置用于发射电磁辐射以基于第一子腔和第二子腔中的电磁辐射的非对称能量吸收来激发膜结构的移动。
[0007]
实施例提供了一种用于制造检测器单元的方法。该方法包括提供第一层结构、在第一层结构处附接具有膜结构的第二层结构以及在第二层结构处附接第三层结构。执行该方法，使得第一层结构和第三层结构气密地封闭腔并且使得膜结构布置在腔中。
[0008]
实施例提供了一种用于制造光声气体传感器的方法。该方法包括提供检测器单元，该检测器单元具有在检测器单元腔内部的膜结构、在膜结构的第一侧处的腔的第一子腔、以及在膜结构的相对的第二侧处的腔的第二子腔。该方法包括布置电磁源，该电磁源被配置用于发射电磁辐射，以基于第一子腔和第二子腔中的电磁辐射的非对称能量吸收来激发膜结构的移动。
[0009]
在从属权利要求中描述了另外的实施例。
附图说明
[0010]
在参考附图的同时，将在下文中描述实施例，在附图中:
[0011]
图1是根据实施例的检测器单元的示意性侧视图；
[0012]
图2a是根据实施例的另一检测器单元的示意性侧视图；
[0013]
图2b是图2a的检测器单元的示意性透视分解图；
[0014]
图3是根据具有涂层的实施例的检测器单元的示意性侧视图；
[0015]
图4a至图4k是根据实施例的用于制造检测器单元的示例处理步骤；
[0016]
图5是根据实施例的光声气体传感器的示意性框图；
[0017]
图6是根据实施例的芯片级封装光声气体传感器的示意性框图；
[0018]
图7是根据实施例的芯片级封装光声气体传感器的示意性侧视图。
[0019]
图8是根据实施例的具有盖的芯片级封装光声气体传感器的示意性侧视图；以及
[0020]
图9是根据包括堆叠配置的实施例的芯片级封装光声气体传感器的示意性侧视图。
[0021]
即使存在于不同图中，相等或等效元件或具有相等或等效功能性的元件在以下描述中由相等或等效附图标记表示。
具体实施方式
[0022]
在以下描述中，阐述了多个细节以提供对本发明的实施例的更透彻的解释。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其它示例中，以框图形式而非详细地示出众所周知的结构和设备，以避免模糊本发明的实施例。此外，下文描述的不同实施例的特征可以彼此组合，除非另外特别指出。
[0023]
本文描述的实施例涉及光声气体传感器和可以用于此类光声气体传感器中的检测器单元。这种光声气体传感器可以包括检测器单元，在该检测器单元中封闭目标气体(即，分子或相同或不同类型)。也就是说，可以封闭单一气体或气体或流体的组合。这种检测器单元可以布置在光声气体传感器的外壳中，光声气体传感器包括电磁辐射源。结合所公开的实施例描述了光声气体传感器的工作原理另外的细节。
[0024]
实施例涉及作为微机电结构(mems)的检测器单元。mems结构可以包括一种或多种半导体材料，例如，至少部分掺杂或未掺杂的半导体材料，诸如硅、镓、砷化镓等。备选地或附加地布置由其派生的材料，例如氮化硅(分别为sin、si3n4)、氧化硅(sio2)等。备选地或附加地，诸如金属材料(例如，铜、金、银、铂等)的其他材料可以是mems结构的一部分。
[0025]
本文描述的实施例可以涉及膜结构。这种膜结构可以被理解为梁状结构(具有比垂直于其的横向延伸更大的纵向延伸)，但是也可以是平面或二维结构，其中彼此垂直的横向延伸在公差范围内相对于彼此相等。这种结构的示例可以是圆形结构(例如，圆形或圆形膜、或二次膜结构)。这种膜结构可以由例如类似于在mems麦克风或mems扩音器中使用的膜结构形成。
[0026]
图1是根据实施例的检测器单元10的示意性侧视图。检测器单元10可以是可用的或可以集成到光声气体传感器中。也就是说，检测器单元10可以形成光声气体传感器的部件，但可以单独地或个别地实施。
[0027]
检测器单元10可以包括第一层结构12、第二层结构14和的第三层结构16被设置为层结构的堆叠。也就是说，层结构14可以布置在层结构12处。层结构16可以布置在层结构14处。层结构12可以包括一个或多个层。例如，层结构12可以包括层121和层122，其中层121和层122可以包括相同或不同的材料。
[0028]
备选地或附加地，层结构14可以包括一个或多个层。例如，层结构14可以包括具有相同或不同材料的层141和层142。备选地或附加地，层结构16可以包括一个或多个层。例如，层结构16可以包括具有相同或不同材料的层161和层162。
[0029]
层结构12、层结构14和/或层结构16的若干层可以单独地实施并且相对于其它层结构的若干层的数目可以相等或不同。每个层结构12、层结构14和层结构16的若干层可以是例如1个、2个、3个、4个、5个或更高的7个或10个。
[0030]
层结构14可以包括膜结构18。膜结构18可以包括一个或多个层，例如半导体层、半导体层和导电层(例如，掺杂的半导体材料或金属材料)，覆盖膜结构18的一侧或两侧的至少一些部分。膜结构18可以被布置成使得腔22的子腔22a和子腔22b被设置在膜结构18的不同侧上。例如，凹陷可以在层结构12和/或层结构14中实施，以便形成子腔22a。备选地或附加地，可以在层结构14和/或层结构16中形成凹陷，以便形成子腔22b。也就是说，实施例涉及仅具有子腔22a和子腔22b中的一个子腔的结构，其中另外的实施例涉及具有子腔22a和子腔22b的结构。子腔22a可以流体地连接到子腔22b，或者可以从子腔22b密封。
[0031]
因此，层结构12和层结构16气密地封闭腔22。膜结构18布置在腔中。为了气密地封闭腔22，层结构12和层结构18可以彼此连接，以便形成气密的紧密机械连接。此外，层结构14和层结构16可以彼此连接，以便相对于彼此形成气密的紧密机械连接。当与其中布置结构的腔进行比较时，这是不同的，该结构本身容纳其中布置有膜的腔。根据实施例，能够经由将层结构彼此机械地连接来直接生成腔22。层结构14可以形成检测器单元10的侧壁10a的至少一部分。
[0032]
腔22可以包括或容纳流体，例如，气体是用于随后的光声气体传感器的目标气体。
[0033]
图2a示出了根据实施例的检测器单元20的示意性侧视图。层结构12和层结构16可以包括例如半导体材料、导电材料和/或绝缘材料。例如，层结构12可以包括玻璃材料或陶瓷材料作为绝缘材料。作为半导体材料，例如，可以使用硅材料或砷化镓材料。作为导电材料，例如，可以使用诸如金、银、铝、铜等的金属材料。备选地或附加地，可以使用掺杂的半导体材料，例如，层结构12可以从玻璃晶片或硅晶片获得。结合所描述的实施例，层结构12可以被称为底部密封晶片。相反，层结构16可以被称为顶部密封帽晶片，并且可以包括例如半导体材料或绝缘材料。诸如硅的半导体材料可以允许生成或获得作为层结构16中的凹陷的子腔22b，而玻璃材料不排除这样的配置，但是可以提供材料的增加的硬度。子腔22a可以至少部分地形成为层结构14中的凹陷。
[0034]
层结构14可以包括基本上对应于硅-麦克风(si-microphone)结构的结构。例如，膜结构18可以是多层结构。
[0035]
层结构12和层结构14可以例如在晶片接合过程期间彼此接合。例如，在层结构12与层结构14之间，可以布置边界层或界面24。界面24可以是晶体接合过程的结果。例如，布置在层结构12处的材料和层结构14的材料可以各自形成界面24的一部分。
[0036]
例如，层结构12可以包括涂层26和基底层28。基底层28可以包括例如导电材料、绝缘材料或半导体材料，诸如硅材料。至少在与层结构14的随后的机械连接的区域中，涂层26可以被布置为例如包括金属材料(例如，金材料)，其中，备选地，诸如铝或其他反射性金属或非金属材料或结构的其他材料。例如，金(au)和铝(al)可以被用于实施eutektik接合。这样的材料可以同时提供反射性质。这并不排除使用不同的材料用于接合和用于反射表面。
此外，实施例不限于此。例如，玻璃介质可以用于接合。任何反射结构或材料都可以用作涂层26。例如，au可以是惰性的并且是光学稳定的。备选地或附加地，可以使用bragg镜结构。例如，对于本实施例，可以从si/sio2材料获得这样的结构。也就是说，涂层26可以形成反射电磁辐射的表面，并且可以包括反射材料和反射结构中的至少一种。
[0037]
在晶片接合过程期间，涂层26的材料和层结构14的材料可以形成界面24，从而提供紧密的机械连接并因此提供气密密封的一部分。
[0038]
涂层26可以可选地布置在腔、子腔22a和/或子腔22b的区域中。这可以允许反射表面，例如，以反射热辐射或其它电磁辐射。
[0039]
涂层26可以提供用于电磁辐射的表面反射。涂层26可以布置在层结构12的表面处以便面向膜结构18。备选地或附加地，涂层26可以布置在层结构16处以面向膜结构18。涂层26可以允许防止电磁辐射例如从图2a的底侧进入屏蔽的子腔。备选地或附加地，涂层26可以允许反射已进入腔的电磁辐射54，以便防止辐射逸出。
[0040]
以相同或不同的方式，在层结构14和层结构16之间可以布置涂层结构或涂层32，例如，包括金材料、铝材料等，例如，可以布置材料的组合[例如，金/锡(ausn)]。通过晶片级接合，层结构14和层结构16可以如针对层结构12和层结构14所描述的那样彼此组合或连接。
[0041]
实施例涉及在腔中容纳目标介质，诸如流体，例如，如示例分子341至分子34i所示的气体。目标介质可以是例如co2、co、no2或任何其它合适的流体，例如ch4(甲烷)和so2。例如，膜结构18可以包括例如由通风孔361和通风孔362实施的子腔22a和子腔22b之间的连接，其中通风孔的数量可以不同，例如，0、1、3或更多、5或更多、10或更多、20或更多或甚至更多的数量。这可以允许获得层结构12与层结构14之间以及/或者层结构14与层结构16之间的不同连接。例如，层结构12与层结构14以及/或者层结构14与层结构16可以形成为例如使用蚀刻过程形成相应的子腔22a或子腔22b的公共层结构。这可以允许避免晶片级接合，因为目标气体可以通过使用通风到达相应的子腔22a或子腔22b。
[0042]
然而，晶片级接合过程可以允许层结构之间的精确且气密的连接。涂层32可以用作例如密封环，并且可以具有例如与层结构16的突出38的结构对应的环状结构。可选地，可以布置用于连接例如膜结构18和/或背板结构的一个或多个导电层的导电结构42(例如，接合垫等)。当与允许简单过程的涂层32比较时，导电结构42可以至少部分地由相同的材料形成。例如，除了导电结构42之外，还可以容易地形成涂层结构32，而不严重改变制造过程。
[0043]
使用晶片级接合过程可以允许平行地装配或生成或制造多个检测器单元，并且随后容易地例如使用切割过程将其分离。
[0044]
层结构12、14和/或16可以具有分别沿厚度方向46的一些或不同的延伸441、442、443。厚度方向46可以平行于层结构12的表面法线n1、层结构14的表面法线n2和/或层结构16的表面法线n3。表面法线n1、n2和/或n3可以垂直于n-平面方向，沿着n-平面方向，分别主要地或基本上形成或先前已经形成一层或多层结构12、14、16的晶片并延伸。例如，层结构12可以形成基底。例如，最大延伸441或层结构12可以是任意的，其中薄的层结构12是可期望的，同时保持一定的稳定性。在这些边界内，示例延伸441可以是至少20μm以及至多1mm、至少50μm以及至多800μm或至少70μm以及至多500μm。延伸442可能具有任何值，例如至少100μm以及至多1mm、至少250μm以及至多500μm或至少250μm以及至多400μm。延伸442可以实施为
使得它是沿着厚度方向46的膜结构18的厚度48以及子腔22a的厚度或高度521的概括值。例如，厚度48可以在至少1μm以及至多10μm的范围内，至少2μm到至多7μm或至少3μm，最多5μm，例如，4μm。例如，高度521可以在至少100μm以及至多990μm的范围内，至少150μm以及至多700μm或至少200μm以及至多500μm，例如，在246μm和396μm之间的范围内。备选地，高度521可以是使用或进一步处理具有延伸442的层结构14的起始结构的结果。在通过生成凹陷、子腔22a形成膜结构18之后，高度521可以是期望厚度48的结果。可以实施其它值和序列。备选地或附加地，延伸443可以具有任何合适的值，例如至少50μm以及至多1mm、至少100μm以及至多500μm或至少150μm以及至多300μm。延伸443超过子腔22b的厚度或高度522，该厚度或高度522可以是例如至少1μm以及至多500μm、至少2μm以及至多400或至少5μm以及至多300μm，例如，在至少10μm以及至多200μm的范围内。延伸443可以允许子腔22b的稳健壳体，当与高度522比较时，它可以包括较大的延伸443。
[0045]
备选地或附加地，可以布置气体的组合。分子341、
…
、34
i
仅作为非限制性示例涉及co2。
[0046]
腔22、子腔22a和/或子腔22b可以分别是声学隔离的。也就是说，膜18能够相对于在相应的子腔22a和/或子腔22b的外部处的声学声音仅振动至可忽略的效果或对声学声音不灵敏。
[0047]
层结构12、层结构14和/或层结构16可以至少部分地对于电磁辐射54是透明的。这可以允许电磁辐射54分别进入腔22、子腔22a和/或子腔22b，以便激发膜18振动。例如，层结构14对于电磁辐射54是透明的。层结构12、14和/或16对于将与检测器单元组合的发射器的波长可以是透明的。例如，层结构12、14和/或16对于红外光谱尤其是中波长红外光谱可以是透明的。虽然红外光谱可以包括至少760nm到至多1mm的波长，但中波长红外光谱可以包括至少1μm以及至多100μm、至少2μm以及至多70μm或至少3μm以及至多50μm的波长。
[0048]
检测器单元20可以被形成为使得检测器单元20关于子腔22a中和子腔22b中的电磁辐射的灵敏度不对称。这样的不对称性可以被理解为在相对于电磁辐射54的生成的幅度、频率或时间偏移方面具有不同的力，以便防止作用在两个子腔22a和子腔22b中的膜结构18上的相等的力，这可以抵消膜18的振动。通过实施不对称，检测器单元20可以包括对电磁辐射54的高灵敏度。后面将更详细地描述，该不对称性可以通过备选地或附加地以其他方式通过具有不同的高度521和522生成。也就是说，不对称性可以至少部分地通过实施延伸521和延伸522来获得，以便不同，例如，1:1.1、1:1.2或1:1.5或更大的数目。
[0049]
备选地或附加地，子腔22a和子腔22b可以被不同地屏蔽，屏蔽一个子腔，同时不屏蔽另一个或将另一个或屏蔽到不同的程度，使得电磁辐射54不同地穿透或刺穿子腔22a和子腔22b。备选地或附加地，可以例如在具有彼此密封的子腔的结构中实施目标气体34的不同压力。
[0050]
备选地或附加地，为了获得不对称性，子腔22a和子腔22b可以彼此密封并且可以包括不同的气体或气体浓度。通过使用不同的气体，可以实施检测器单元以便对两种气体灵敏。例如，两种气体的吸收特性可以在波长范围或频率范围内分离，使得当评价膜结构18的振动时，可以清楚地区别膜结构18的激发。
[0051]
图2b示出了检测器单元20的示意性透视分解图，以示出例如涂层结构32(即，密封环)的圆周路线。膜结构18可以形成为例如圆形或圆结构。虽然示出了四个通风孔361至364，
但是可以实施不同数量的，例如，0或更多、1或更多、2或更多、3或更多、5或更多或更大的数量。也就是说，膜结构可以包括至少一个通风孔。
[0052]
插入底部密封晶片：如“底部”、“顶部”、“左”、“右”等的术语用于促进对本公开的理解。明显的是，基于结构的变化的取向，适当的术语可以变化而不改变实施例的范围。
[0053]
换言之，示出了具有顶部密封晶片和底部密封晶片的硅-麦克风晶片。可以在接合步骤(例如最后接合步骤)期间封闭专用气体气氛，诸如大于0％以及至多100％的任何浓度的目标气体(例如co2)。100％的浓度可以提供高灵敏度，其中较低浓度可以允许气体的组合且因此允许多个灵敏度。当与随后设备的环境压力比较时，目标气体的压力可以更高或更低。例如，压力可以是至少10mbar和至多5bar或任何其它合适的值，例如，以增强或减少电磁辐射的吸收。
[0054]
可以实施这些步骤以便首先提供背侧密封(au/si共晶接合)并且然后在co2的气氛下(在si-mems顶侧上的帽结构与金属环的ausn焊接)下密封。这些步骤可以以不同的顺序执行。麦克风的接合垫可以在wlb过程之后保持可访问。硅晶片的整个步骤对于中波长红外光谱可以是透明的，其可以用于气体感测中的光学激发。
[0055]
图3示出了根据实施例的检测器单元30的示意性侧视图。检测器单元30可以类似于检测器单元20形成。当与检测器单元20比较时，在可以是检测器单元20的涂层26的涂层261旁边，可以在层结构16处或作为其一部分布置另一涂层262，以便面向膜结构18。虽然涂层261和涂层262两者都是可选的，但是检测器单元20和检测器单元30的配置允许通过以防适于激发腔中的目标介质34的光或电磁辐射的反射涂层来密封腔的一部分。
[0056]
结合检测器单元10、检测器单元20和/或检测器单元30描述的膜结构18可以针对其振动进行评估。检测器单元10、检测器单元20和/或检测器单元30可以包括被配置用于评估振动的电路装置。备选地或附加地，检测器单元10、检测器单元20和/或检测器单元30可以例如使用导电结构42连接到合适的电路装置。膜结构18可以布置成(例如)单背板配置或双背板配置。单背板配置可以指根据其评估具有导电表面的膜的振动相对于布置在膜附近的一个对电极的配置。在双背板配置中，例如，可振动膜可以夹在两个对电极之间。也就是说，层结构14可以包括用于膜结构18的单背板配置或双背板配置。备选地或附加地，检测器单元10、检测器单元20和/或检测器单元30可以包括压电或压阻元件，以便确定膜结构18的变形或振动。
[0057]
同时参考图4a至图4k，以下描述用于制造检测器单元10、20和/或30的示例处理步骤。注意，附图既不将这样的制造过程限制为特定顺序或步骤顺序，也不排除制造根据实施例的检测器单元所必需的所有步骤，也不排除另外的步骤。
[0058]
图4a示出了具有麦克风结构18、密封环32和导电结构42的层结构14的示意性侧视图。导电结构42可以是例如使用金属材料(诸如金、银、铝、铜等)的金属喷镀。膜结构18可以为单个背板结构或双背板结构。在本公开的附图中，膜结构和对电极被显示为单个块，以便于理解实施例。层结构14可以类似于基于硅的麦克风结构。原生绝缘层(例如，基底背侧上的sio2)可以(例如)使用hf(氟化氢)浸渍去除。
[0059]
图4b示出了例如在本阶段包括基底层28的层结构12的配置的示意性侧视图。基底层28可以为(例如)硅晶片的至少一部分，但也可以包含其它材料。举例来说，基底层12可以为待切割或稍后分离的晶片。
[0060]
图4c示出了层结构12的示意性侧视图。当与图4b进行比较时，涂层26已经被布置在例如完整的晶片或其至少大的结构上。涂层26的沉积可以包括在硅晶片上沉积诸如金等金属材料。涂层26的沉积可以包括粘合层的沉积，例如锌(ti)。涂层26可以用于多个目的。例如，其可以用于在执行晶片级接合(wlb)时与层结构14形成合金。此外，它可以用作光辐射(例如，电磁辐射54)的反射平面。
[0061]
图4d示出了将两个层结构组合之前图4c的层结构12和图4a的层结构14的配置的示意性侧视图，同时图4e示出了在晶片级接合之后的层结构12和层结构14的示意性侧视图。基于晶片级接合，可以获得界面24，从而允许层结构12和层结构14的紧密连接。界面24可以包括包含涂层26的材料和层结构14的半导体材料(例如，硅材料)的合金。所描述的共晶au/si接合可以例如在真空气氛或任何其他合适气氛下进行，因为当膜结构18包括通风孔时，稍后可以包括目标气体。备选地，密封的子腔可以在目标气氛下接合。
[0062]
图4f示出层结构16的示意性侧视图，层结构16可以包括形貌结构。在其部分中，界面形成材料56(例如，金材料、铝材料、锡材料或银材料等)，包括形成合金的材料(例如，金/锡)，如针对导电层26所描述的那样。可以布置凹陷581、582和/或583。凹陷582可以稍后至少部分地用于子腔22b，而凹陷581和凹陷583可以允许稍后的切割。例如，可以基于蚀刻或研磨去除材料，直到达到由线l指示的水平。凹陷581、582和/或583可以是可选的。例如，子腔22b也可以在层结构14中形成为层结构14，例如，对于图2a所示的延伸442，在层结构14的中心位置布置膜结构18时。
[0063]
换言之，可以在接触位置用金-锡焊料56构建硅帽(si-cap)。通过具有两个或更多个腔，可以通过研磨来完成最终管芯的分割。这可以允许防止结构中的裂纹。
[0064]
为了获得在图4f中示出的结构，可以使用硅晶片，例如，可以使用动作过程将凹陷581和凹陷583结构化到该硅晶片中。凹陷581和凹陷583可以是相同的凹陷，例如，具有矩形、椭圆形或圆形的路线。也就是说，第一腔581、第一腔583的结构化可以被执行到硅晶片62中。
[0065]
在生成凹陷581和/或凹陷583之前或之后，可以例如使用蚀刻过程生成凹陷582。蚀刻可以作为湿蚀刻或干蚀刻或其他概念来执行以去除材料。也就是说，第二腔582的结构化可以被执行到硅晶片62中。
[0066]
如在图4i中示出的，界面形成材料56可以布置在晶片62的接触位置或接触区域64处。也就是说，在层结构14和层结构16被认为彼此接触的区域中，界面形成材料56可以被至少部分地布置。备选地或附加地，界面形成材料56也可以布置在层结构14处。换言之，在接触位置执行ausn的沉积。可选地，涂层262可以在凹陷582中在之前或之后或同时地布置。
[0067]
在图4e中示出的结构和在图4i中示出的结构可以都被布置到可以包括目标介质34的处理室中。应注意，结合图4e描述晶片级接合还可以在具有目标介质34的气氛中执行。备选地，当与图4j的晶片级接合比较时，在图4e中描述的晶片级接合可以在不同的气氛下执行。这可以允许在彼此密封的不同子腔中容纳不同的介质、压力或气体浓度。这样的密封腔中的一个密封腔还可以包括低压或真空，即，当执行晶片级接合时，处理室可以被抽空。基于涂层32和界面形成材料56以及通过执行晶片级接合，层结构14和层结构16可以彼此机械连接。应注意，可以同时或在具有接合层结构14及层结构16之后执行层结构12及层结构14的晶片级接合。
[0068]
换言之，顶部密封晶片16的晶片接合可以在麦克风的金属镀膜上执行(此处：金
锡-金接合)。其它接合技术，即，其它材料也是可能的。该方法可以在目标气氛(例如，co2)下进行。取决于待检测的目标气体，也可以选择一个或多个不同气氛。
[0069]
在执行晶片级接合之后，可以通过去除层结构16的一部分(例如，从侧面16a，例如，顶侧开始)将单个检测器单元彼此分离，直到线l，使得可以获得类似于图4k的配置。层结构12和/或层结构16可以被切割，因为这些结构是机械稳健的。
[0070]
换言之，最终设备可以包括具有顶部12和底部密封晶片16的硅-麦克风。目标介质(co2)被封闭在硅-麦克风后体积内以及在硅-帽和硅-麦克风顶侧之间的腔中。硅-帽的设计可以被调整，例如，腔的高度。而且，在wlb过程之前的结构化期间可以如例如在图2中示出的那样调节分割之后的所得帽的整体形状，例如，具有更多的drie(深反应性离子蚀刻过程)。可以使用双背板硅-麦克风，其中也可以使用不同的simic(硅麦克风)技术。底部密封晶片，可以允许容易的处理。然而，这并不排除对具有形貌的晶片的处理。例如，硅晶片可以涂覆有金，金可以包括钛粘附层。hf浸渍可以用于去除mems背面上的原生sio2。金/硅共晶接合可以例如使用大约360℃来执行，并且可以通过处理可以在载体晶片上完成的硅帽晶片来处理顶部晶片。例如，通过施加约320℃的温度，可以执行金-锡/金扩散接合。然后，可以执行释放。
[0071]
图5示出了根据实施例的光声气体传感器的示意性框图。光声气体传感器50可以包括检测器单元10，其中备选地或附加地，一个或多个不同的检测器单元可以被布置，例如检测器单元20和/或30。光声气体传感器可以包括电磁源66，其被配置用于发射电磁辐射54以便基于检测器单元的腔的子腔22a和子腔22b中的电磁辐射的非对称能量吸收来激发膜结构18的移动。
[0072]
光声气体传感器50可以包括配置用于评估膜结构18的振动和/或用于控制电磁源66的控制单元68。也就是说，控制单元68可以与检测器单元10和/或电磁源66通信。控制单元68可以包括例如处理器、微控制器、现场可以编程门阵列(fpga)和/或专用集成电路(asic)。
[0073]
检测器单元10、20和/或30可以通过在晶片级上进行处理而获得。实施例涉及光声气体传感器的芯片级封装，即，涉及芯片级封装光声气体传感器。
[0074]
图6示出了根据实施例的芯片级封装光声气体传感器60的示意性框图。芯片级封装光声气体传感器60可以包括检测器单元65。检测器单元65可以具有膜结构(例如，检测器单元腔内部的膜结构18)，例如，腔22。腔22的子腔22a和子腔22b可以布置在膜结构18的不同侧上。芯片级封装光声气体传感器60可以包括电磁源或发射器66，电磁源或发射器66可以包括间隔74和壳76以及可以例如基于加热生成电磁辐射54的发射元件e。也就是说，元件e可以是加热器。备选地，元件e可以是黑体等。
[0075]
电磁源66可以被配置用于发射电磁辐射54，以便基于所描述的子腔22a和子腔22b中的电磁辐射54的非对称能量吸收来激发膜结构18的移动。芯片级封装光声气体传感器可以被实施为使得子腔22a和子腔22b具有不同的尺寸和/或不同的表面比，以便至少部分地获得如针对检测器单元所描述的非对称能量吸收。可以实施电磁源66以提供电磁辐射54的脉冲激发，例如基于相应的控制信号。脉冲的频率和/或信号的波长可以适应于目标气体和/或适应于膜结构的共振频率。
[0076]
电磁辐射54可以被称为光，即使包括相较于人类能力几乎不可见的或完全不可见
的波长。例如，可以如针对检测器单元10、20和/或30所描述的那样实施检测器单元65。或者，可以实施其中子腔22a和子腔22b彼此密封的配置。目标介质34可以布置在至少一个子腔22a以及/或者子腔22b中。可能的其它子腔可以包括不同的目标介质或者不包括目标介质，即，它可以被抽空。
[0077]
如将描述的，非对称能量吸收可以基于来自电磁辐射54的进入子腔22a和子腔22b中的非对称能量输入。备选地或附加地，非对称能量吸收可以基于来自子腔22a和子腔22b的非对称能量损耗。例如，可以通过具有围绕腔的不同尺寸的壁结构和/或不同的热导率来获得这样的能量损耗。因此，能量损耗可以基于进入子腔22a和子腔22b中的电磁能量或电磁辐射的能量输入。因此，能量损耗可以与热损失路径相关，该热损失路径可以导致目标介质34中所得压力减少，例如由于能量损耗而冷却。
[0078]
芯片级封装光声气体传感器60可以包括基底72，基底72上可以布置检测器单元65、电磁源66和/或控制单元68。基底72可以包括半导体材料或玻璃材料或陶瓷材料或它们的组合。为了允许低的热损耗，电磁源66可以通过间隔结构74与基底72间隔开和/或由壳76包封。电磁源66可以与壳76一起形成发射器。发射器可以包括用于将向检测器单元65发射的波长滤波的滤波器，例如，以避免由控制单元68获得的测量结果中的模糊。例如，腔中的流体，(例如，目标介质34)可以包括流体共振的目标频率。芯片级封装光声气体传感器可以被实施为以包括滤波器结构(例如，作为壳76的一部分和/或间隔结构74的一部分或布置在发射元件e与检测器单元65之间)。滤波器结构可以被布置用于对电磁辐射54进行滤波，以在与对应于目标频率的波长比较时，，使不对应于目标频率的波长衰减更大的量(即，至少20％、至少30％、至少50％或更多)。例如，滤波器结构结合在壳76中，或者滤波器结构实施壳76。
[0079]
芯片级封装光声气体传感器60可以包括外壳78，该外壳78形成至少用于电磁源66和检测器单元65的壳体，其中可以布置附加部件，例如，控制单元68。也就是说，芯片级封装光声气体传感器60可以包括至少部分地形成芯片级封装光声气体传感器的腔86的盖78。腔86可以至少容纳检测器单元65和电磁源66。盖78对于电磁辐射可以是反射性的。该壳体可以包括通风或开口82，以允许环境介质84(例如空气或不同介质)进入到壳体的内部86中。也就是说，芯片级封装光声气体传感器可以包括入口，以便让目标介质(即环境介质84)通过。因此，环境介质84可以经受电磁辐射并且可以至少在一些特定波长范围内从其吸收能量。在不存在即基于校准的膜结构18的行为的情况下，可以确定环境介质84的内容。也就是说，可以在环境介质84中至少确定目标介质34的存在或浓度。
[0080]
换言之，公开了包括wlb检测器单元的气体传感器单元。红外发射器可以被封装在与具有用于读取检测器单元的对应asic的检测器单元相邻的同一外壳内。
[0081]
源66与侧面78a之间的距离88可以是小的，例如，优选地非零值至多为1mm、500μm或100μm。这样的小距离88可以允许电磁辐射54基本上从侧面到达检测器单元以激发目标介质34。这可以允许输入到子腔22a和子腔22b中的相同或相当的能量输入。
[0082]
可选地，可以在电磁源66和检测器单元65之间布置屏蔽件92。屏蔽件92可以经配置以用于部分地屏蔽检测器单元65以防电磁辐射54，以便至少部分地获得不对称能量吸收。屏蔽件92可以至少部分地屏蔽子腔22a和/或至少部分屏蔽子腔22b。例如，两个子腔中的仅一个被屏蔽，或者子腔被不同程度地屏蔽。
[0083]
图7示出了根据实施例的芯片级封装光声气体传感器的示意性侧视图。当与芯片级封装光声气体传感器60比较时，距离88可以更大，例如，具有比结合图6所描述的距离更大的距离，不限制所描述的实施例的示例值可以在0.5mm和5mm之间，在0.75mm和3mm之间，或者在1mm和2.5mm之间，诸如1.6mm。距离88可以在通过盖78的圆周侧78b在与发射器间隔开的主侧78a与检测器单元65之间测量。大距离88可以允许电磁辐射54在主侧78a处朝向检测器单元65的散射。相反，在图6中示出的小距离可以防止电磁辐射54在主侧78a处朝向检测器单元65的散射，使得电磁辐射54横向地朝向检测器单元65行进。
[0084]
换言之，根据实施例的气体传感器单元可以包括wlb检测器单元。红外发射器可以被封装在与具有用于读取检测器单元的对应asic的检测器单元相邻的同一外壳内。从检测器顶侧到传感器单元的盖的距离可以足够大，以便具有到检测器单元的顶侧的光学通路。光可以在主光学屏蔽件(模块封装)内散射和反射，使得其难以确定主入射角。
[0085]
控制单元68，(即电路)可以用对电磁辐射54不透明的材料94覆盖。这样的布置是可选的。备选地或附加地，但是可选地，控制单元或电路68对于电磁辐射54可以不灵敏，使得在这两种情况下，电磁辐射54不会损害控制单元68的操作。
[0086]
图8示出了根据实施例的芯片级封装光声气体传感器80的示意性侧视图。盖78可以如结合芯片级封装光声气体传感器70所描述的那样形成，但是也可以如针对芯片级光声气体传感器60所描述的那样形成。当与检测器单元65比较时，芯片级光声气体传感器85的检测器单元85包括反射涂层262，该反射涂层262完全地或至少至50％、大于70％或大于90％的量覆盖或屏蔽，子腔22a或子腔22b中的一个子腔，例如子腔22b。这样的反射涂层262可以施加于例如麦克风芯片的单背板配置或双背板配置的电极96，以防止光通过顶部体积的底部界面(即，以防止电磁辐射54穿过子腔22b到达子腔22a)。
[0087]
换言之，wlb可以包括顶部密封帽晶片的内表面或外表面的反射涂层，即层结构16。因此，可以避免进入上部气体体积22b的直接光学通路。
[0088]
图9示出了根据实施例的芯片级封装光声气体传感器90的示意图。当与芯片级封装光声气体传感器60、70或80比较时，芯片级封装光声气体传感器90可以包括堆叠配置。当与芯片级封装光声气体传感器60、70和80比较时，不同的子封装981和子封装982可以彼此堆叠，并且因此可以延伸到不同的垂直延伸。在用堆叠布置减小所需表面的同时，可以增加高度。子封装981可以包括电磁源66，例如包括滤波器。沿着厚度方向48，子封装982可以与布置在子封装981和子封装982的基底721与基底722之间的间隔结构或间隔件或热去耦元件102间隔开。热去耦元件102可以包括低导热率。例如，可以使用聚合物材料等。
[0089]
子封装982可以包括检测器单元65。控制单元68可以布置在子封装981或子封装982中。电磁辐射54可以从子封装981行进到子封装982。例如，基底722可以包括开口104或低热导率的区域。
[0090]
换言之，实施例涉及封闭的光声气体感测单元，其包括由外壳(封装)封闭的红外发射器、光学滤波器和检测器单元(例如，si-麦克风)。检测器单元(麦克风)可以在所关注的气体(例如，特定百分比co2、目标浓度的目标气体)的限定气氛下被封闭在气密密封的封装中。检测器单元的封装可以在寿命期间(例如，至少5年和可能的15年的范围内)被气密密封。此要求可以通过本文中所描述的提供封装过程及对应结构的实施例来解决。在所需气氛下的晶片级接合(wlb)过程可以降低每单位的封装成本，因为整个封装过程可以在仍在
晶片级上的所有设备上执行。也就是说，可以防止单独地填充单个设备。与标准封装方法比较，wlb过程还可以减小气体感测检测器单元的形状因素，并且因此还有可能集成到小规模pcbs(印刷电路板)(例如电话应用)中。
[0091]
气密密封的气体检测器单元可以通过晶片级过程形成，由此单元可以包括麦克风晶片、充当膜区域上方的帽的顶部密封晶片以及底部密封晶片。底部和顶部密封晶片可以配备有用于将上部(在麦克风膜上方)或下部(在麦克风膜下方)气体体积与外部光学屏蔽的反射涂层。通过这种封装，可以实现非常小的封闭气体体积，这仅取决于或至少基本上取决于麦克风晶片以及在麦克风前侧上方的顶部密封晶片中的腔的厚度。针对单一厚度所陈述的值不限制过程限制。利用红外光源的脉冲激发可以导致封闭气体体积内的麦克风膜的上方和下方的压力差，并且因此可以导致取决于红外光的强度的声学信号。
[0092]
asic可以由光不透明材料，例如球形顶部覆盖，或可以稳健的抵抗宽带光。可以通过光学屏蔽件中的开口提供气体交换，这取决于可以调节通风的光路，以便增强气体交换扩散时间。随着更多的光被检测器单元外部的光路吸收(较高的环境co2浓度)，检测器单元内的光声压力可以变得较小，即，在asic处可以获得反向信号。wlb光声检测器单元可以被包括在光声传感器中，该光声传感器包括例如斩波的mems红外发射器、电磁源、用于气体的波长选择性加热的光学滤波器、使用wlb过程的气密密封的mems麦克风和外壳。该系统可以由内部asic操作，该内部asic提供红外发射器的输入功率以及wlb检测器单元的声学读取。
[0093]
实施例是基于使用晶片级接合过程在专用气体气氛下产生的气密密封的mems麦克风。小的气密封闭的气体体积对于产生光声压力可以是有益的。要提到的是，两个体积之间的定量(在麦克风膜上方和下方，子腔)对于检测器单元对斩波的红外光的响应可以是重要的。体积之一的光学屏蔽件(例如，通过顶部体积的内部部分的金属涂覆)可以增强检测器灵敏度。一般来说，wlb pas(光声传感器)检测器单元的高度可以被限定或至少受三个晶片(层结构)的厚度以及mems麦克风上方的腔的高度的影响。因此，这可以形成芯片尺寸的解决方案，以设计具有高度范围的气密密封的wlb pas检测器单元，该高度范围可能专门由相应的三个晶片的过程窗口限定。这可以允许提供小的wlb pas检测器单元。
[0094]
由于污染是对健康的影响，并且由于空气污染的健康问题日益严重，实施例允许减小密闭的光声检测器单元的形状因素以及生产成本。检测器单元可以是独立的产品，但也可以被包括在光声气体传感器中。这可以提供与ndir(非色散红外传感器)检测器比较的优点。实施例涉及集成到检测器单元的wlb过程中的红外源，例如作为顶部或底部晶片。滤光器晶片可以用作顶部或底部密封晶片。也就是说，用于制造电磁源66的过程可以类似于产生mems麦克风。因此，结构74和/或结构76可以包括过滤特性。
[0095]
尽管已经在装置的上下文中描述了一些方面，但清楚的是，这些方面还表示对对应方法的描述，其中块或设备对应于方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的上下文中描述的方面还表示对对应装置的对应块或项目或特征的描述。
[0096]
上述实施例仅仅是对本发明的原理的说明。应理解，本文中所描述的布置和细节的修改和变化对于本领域的其他技术人员将是显而易见的。因此，意图仅由未决的专利权利要求的范围限制，而不是由通过对本文中的实施例的描述和解释所呈现的具体细节来限制。