具有腔的集成的颗粒物质传感器的制作方法

1.本发明涉及颗粒物质传感器和包括颗粒物质传感器的颗粒物质传感器模块。


背景技术：

2.颗粒物质(pm)是指流体中的固体颗粒和/或液滴。pm可能在例如被吸入时造成健康风险，或者可能导致被称为雾霾的能见度不良。pm的典型类别是pm10和pm2.5，即直径分别为10μm和2.5μm的颗粒，以及更小的颗粒。
3.常规的pm传感器模块包括将光发射到检测体积中的光源和检测由检测体积中的颗粒物质散射的光的光检测器。常规的pm传感器模块由分立部件即带有激光二极管的光源组件、光学元件、光电探测器、印刷电路板(pcb)、分立放大器、微处理器和壳体等构成。使用风扇或替选地使用加热器元件生成用于对颗粒取样的气流。例如在wo2018100209a2中公开了示例。
4.这样的pm传感器模块具有宏观尺度，即具有几厘米量级的尺寸。常规的pm传感器模块的形状因子和尺寸的原因是所使用的光电部件即激光二极管、光学元件、安装辅助件和光电探测器的分立性质。
5.us20150153275a1公开了下述pm传感器，其包括在主体部分中彼此邻近设置的光源和光检测器。光源朝向已被引入到主体部分中的空气发射光。设置在光源上的光学透镜聚焦所发射的光。通过光检测器检测散射光。
6.us20160025628a1公开了被配置成感测颗粒物质的移动设备。移动设备中的传感器包括以一定角度布置的光发射器和光接收器。
7.cn106483051b公开了用于测量颗粒物质的浓度的移动设备。由移动设备的闪光灯发射光。反向散射光由收集透镜收集，并由光检测器过滤和检测。
8.本发明的实施方式所要解决的问题是提供小型pm传感器，其尤其产生可靠的高质量测量。


技术实现要素：

9.该问题通过根据权利要求1所述的颗粒物质(pm)传感器来解决。在从属权利要求中提供了有利的实施方式。
10.因此，提供了一种颗粒物质传感器，包括：
[0011]-包括半导体芯片的基板，所述基板形成腔，所述腔的至少一部分形成在半导体芯片中；
[0012]-集成到半导体芯片的表面中的至少一个光电探测器；以及
[0013]-布置在腔中的光源，所述光源适于朝向腔的一端(以下称为“第一”端)发射光束，所述光束在腔外部限定用于颗粒物质的检测体积，
[0014]
其中，半导体芯片的集成有至少一个光电探测器的表面面向检测体积，并且
[0015]
其中，至少一个光电探测器适于检测由检测体积中的颗粒物质散射的光。
[0016]
通过提供至少部分地形成在集成有至少一个光电探测器的完全相同的半导体芯片中的腔以及将光源布置在腔中，可以获得非常紧凑的pm传感器。
[0017]
检测体积包括光束的一部分，其中光的强度足够高以使得能够通过至少一个光电探测器检测从光束中的pm散射的光。特别地，检测体积可以被定义为下述体积：该体积中存在的pm在pm传感器中引起高于噪声水平的清晰(即，统计上显著的)信号。这样，检测体积取决于各种因素，诸如pm的尺寸、光源的光功率、光束的几何形状等。
[0018]
在一些实施方式中，半导体芯片包括cmos层堆叠。所述cmos层堆叠中的一个或更多个层接着可以形成膜，所述膜在腔的第一端处跨越腔。膜的厚度可以小于20μm，特别是小于10μm。因此膜可以保护光源。特别地，腔可以在第一端处被膜完全封闭，使得腔在其第一端处是流体密封的。
[0019]
在一些实施方式中，颗粒物质传感器可以包括在第一端处界定腔的光学元件，所述光学元件被配置成使光束成形以形成检测体积。在其他实施方式中，光学元件可以被省去。例如，光源本身可以被配置成产生足够准直或聚焦的光束，使得光束在腔外部具有足够的强度以形成检测体积。在一些实施方式中，光学元件包括由cmos层堆叠中的一个或更多个层形成的膜。在其他实施方式中，腔在第一端处开口，并且光学元件布置在腔的开口的第一端上。
[0020]
腔优选地在与第一端相对的第二端处开口。光源在腔中优选地布置在腔的第二端处。
[0021]
在一些实施方式中，基板可以完全由半导体芯片形成，即基板可以仅包括半导体芯片。在其他实施方式中，基板可以包括半导体芯片与之接合的间隔件，如下文进一步详细描述的。
[0022]
如果基板仅包括半导体芯片，并且如果存在光学元件，则颗粒物质传感器可以具有以下特征：
[0023]-半导体芯片，所述半导体芯片形成腔；
[0024]-集成到半导体芯片的表面中的至少一个光电探测器；
[0025]-布置在腔中的光源，所述光源适于发射光束，
[0026]-在一端(“第一”端)处界定腔的光学元件；
[0027]
其中，光源被布置成将光束引导到光学元件上，
[0028]
其中，光学元件被配置成使光束成形，使得光束在腔外部形成用于颗粒物质的检测体积，
[0029]
其中，半导体芯片的集成有至少一个光电探测器的表面面向检测体积，并且
[0030]
其中，至少一个光电探测器适于检测由检测体积中的颗粒物质散射的光。
[0031]
下面说明pm传感器的有利实施方式。pm传感器通常包括以下元件：
[0032]-形成腔的基板：基板包括半导体芯片或由半导体芯片组成，有利地，半导体芯片包括互补金属氧化物半导体(cmos)层堆叠。因此，pm传感器功能优选地集成到半导体芯片中。腔具有由基板形成的侧壁。每个侧壁的至少一部分由半导体芯片形成。腔可以基本上具有立方体的形状，例如其中边缘长度在0.3mm与1mm之间的范围内，或者腔可以具有圆柱体的形状，例如其中直径在0.3mm与1mm之间的范围内。在其他实施方式中，腔可以具有截头圆锥或截头棱锥的形状。更一般地说，腔的每个侧壁可以具有相对于光轴或相对于腔的对称
轴倾斜的至少一个倾斜部分。腔的至少一部分可以例如通过优选地从基板的底侧蚀刻半导体芯片或通过替选的处理技术来制造。在一些实施方式中，腔可以穿通半导体芯片的整个厚度，而在其他实施方式中，腔可以不穿通半导体芯片的整个厚度，而是采取通过半导体芯片的其余部分、通常通过由cmos层堆叠中的一个或更多个层形成的膜所界定的凹部的形状。
[0033]-适于发射光束的光源。所述光源布置在腔中。在有利的实施方式中，光源是激光二极管，例如垂直腔面发射激光器(vcsel)。术语“光”并不意味着限于可见光，而是至少也包括紫外光和红外光。通常，发射光的波长在500nm至1100nm的范围内，特别是在640nm与950nm之间。光源朝向腔的第一端发射光束。光源可以布置在腔的第二端处。
[0034]-可选地，在第一端处界定腔的光学元件：通常，光学元件被布置在腔的与光源相对的端部处。光源布置在腔中，以将光束通过腔的至少一部分引导到光学元件上。光学元件适于使光束成形，从而形成检测体积。在有利的实施方式中，光学元件聚焦光束，如下文进一步详细描述的。
[0035]-集成在基板中的至少一个光电探测器：至少一个光电探测器集成到半导体芯片的表面中。至少一个光电探测器可以包括至少一个光电二极管。它可以通过cmos工艺形成在半导体芯片中。至少一个光电探测器面向检测体积，并且适于检测由检测体积中的pm散射的光。特别地，至少一个光电探测器被布置为距光学元件至多2mm的距离(从边缘到边缘测量)，并且更特别地邻近于光学元件。此外，有利的是，光学元件在+1mm/-0.1mm的公差内布置在限定至少一个光电探测器的平面中，更确切地，在由半导体芯片的集成有至少一个光电探测器的表面限定的平面中，如下文进一步详细描述的。
[0036]
这样的pm传感器可以构造成具有小、即小于7mm
×
7mm
×
2mm、特别是小于5mm
×
5mm
×
1.6mm的形状因子。这样的pm传感器还可以集成到pm传感器模块或便携式电子设备诸如智能手机或物联网(iot)设备中。此外，这样的pm传感器具有电流消耗低的优点，这再次使其非常适合于集成到电池驱动的设备中。
[0037]
在一些有利的实施方式中，pm传感器还包括：
[0038]-电连接至至少一个光电探测器的控制单元：控制单元适于从至少一个光电探测器接收由检测体积中的pm散射的光引起的信号。此外，控制单元适于根据与pm相关的物理量来评估信号，即，基于信号来确定与颗粒物质相关的物理量。特别地，物理量可以包括pm的数量浓度、尺寸和尺寸分布中的至少一者。有利地，控制单元的至少一部分可以集成到半导体芯片中。特别地，控制单元的至少一部分可以形成在cmos层堆叠中。更特别地，控制单元的至少一部分可以是形成在cmos层堆叠中的asic。可以在半导体芯片中完全实现控制单元，或者可以与半导体芯片分离地例如在分离的信号处理器或计算单元中实现控制单元的一部分。
[0039]
进一步有利的技术特征将根据以下描述变得明显。对于技术人员，显然这些特征可以以各种方式组合以形成本发明的实施方式。
[0040]
光源
[0041]
由检测体积中的pm散射并由至少一个光电探测器接收的光的量尤其取决于光源的光功率。因此，量化光功率是有意义的。如果光源包括vcsel，则以下实施方式是特别有利的，因为vcsel的光功率通常不受控制，原因在于确切的光功率对于比如飞行时间(tof)测
量的应用是不相关的。
[0042]
为了量化光源的光功率，pm传感器可以包括光敏辅助检测器，所述光敏辅助检测器被布置成接收从光源发射而未被pm散射的光。辅助检测器可以集成到半导体芯片中。辅助检测器可以通过与用来检测从pm散射的光的至少一个光电探测器相同的技术来制造。特别地，辅助检测器可以是光电二极管，特别是通过cmos工艺制造的光电二极管。辅助检测器在光电探测器平面中的表面积可以显著小于用来检测从pm散射的光的光电探测器的总表面积，例如，不超过后者表面积的1％，从而确保来自辅助检测器的信号不受被pm散射的光的显著影响并且使对环境光的灵敏度最小化。
[0043]
如果辅助检测器集成到半导体芯片——该芯片包括cmos层堆叠——中，则在光源与辅助检测器之间存在至少三条不同的可能光路。第一光路延伸通过半导体芯片。虽然光可以被诸如硅的半导体强烈地衰减，但是光的穿透深度通常不会小到忽略不计。如果辅助检测器布置在半导体芯片中足够靠近腔的壁(例如，在不超过200μm的横向距离处)，则足够量的光可以通过半导体芯片到达辅助检测器。第二光路延伸通过cmos层堆叠，其可以充当光导部。杂散光可以以这种方式被横向引导到辅助检测器。第三光路延伸通过光学元件(如果存在)。已经在光学元件内部或在其表面散射的杂散光可以以这种方式到达辅助检测器。根据设计，这些光路中的一个或更多个可以是活跃的。
[0044]
因此，在第一实施方式中，辅助检测器特别是光电二极管被布置成邻近于光学元件。以此方式，辅助检测器可以接收来自光学元件的杂散光。辅助检测器可以布置在腔中，例如在腔的面向光学元件的壁上。通过将辅助检测器集成到半导体芯片中，简化了制造过程，例如在常规cmos处理期间形成辅助光敏检测器。
[0045]
辅助检测器适于测量来自光学元件的杂散光，即不朝向检测体积离开光学元件而是反射或散射到其他方向例如向后的光。已经发现，杂散光的量指示特别是与光源的光功率成比例。因此，控制单元还电连接至辅助检测器，并适于根据杂散光确定光源的光功率，并根据所确定的光功率评估与pm相关的物理量。可替选地或另外地，控制单元适于根据所确定的光功率来控制光源。
[0046]
在第二实施方式中，辅助检测器特别是光电二极管布置在腔中或邻近于腔，并适于测量光源的自发发射。如果光源是vcsel，这可以是特别相关的。已经发现vcsel在一个或更多个侧壁即除了vcsel的主发射表面之外的一个或更多个壁上表现出光的自发发射。此外，已经发现自发发射的量同样指示特别是与光源的光功率成比例。因此，控制单元还电连接至光电二极管，并适于根据所测量的自发发射确定光源的光功率，并根据所确定的光功率评估与pm相关的物理量。可替选地或另外地，控制单元适于根据所确定的光功率来控制光源。此外，光电二极管有利地集成在基板中。
[0047]
所描述的实施方式便于更准确地测量与pm相关的物理量，特别是在光源的光功率以其它方式未知的情况下，例如正如vcsel一样。
[0048]
光学元件
[0049]
通常，针对大的检测体积优化所描述的pm传感器，因为pm计数与如上定义的检测体积成比例。如上所说明的，pm颗粒需要在至少一个光电探测器的方向上生成足够的散射光，使得由至少一个光电探测器检测的来自散射光的信号高于噪声水平，例如暗电流噪声。满足该条件的体积称为检测体积。从pm散射的光可以由米氏(mie)理论近似地描述。为了说
明检测体积的优化，进一步的近似可能有所帮助：显然，检测体积尤其受到几何效应的限制，例如由点光源发射或由颗粒散射的光的扩散的限制。该扩散导致光的强度随着与点光源或相应地散射颗粒的距离d而减小为与出射球面波的生长表面对应的1/d^2。这对于一般的pm传感器的设计和特别的光学元件的设计具有影响。
[0050]
光学元件通常限定光轴。光轴优选地垂直于半导体芯片的集成有至少一个光电探测器的表面。在有利的实施方式中，光学元件例如在焦点或焦点区域中聚焦光束。因此，光束的强度沿着光轴随从光学元件直至焦点的距离i而增加为与锥形光束的减小表面对应的i^2。可以看出，在检测体积内增加光强度的这种效应抵消了并在一定程度上平衡了如上所述的由pm颗粒所散射的光的扩散效应。以此方式，对于给定的光源和给定的光电探测器，检测体积被最大化。
[0051]
特别地，检测体积的范围相应地从光学元件至少到光束的焦点。光学元件与焦点之间的距离i0可以至少为1mm。通常，最佳焦距取决于用于分辨颗粒散射光和噪声的至少一个光电探测器的阈值、光源的光功率和光学元件的数值孔径。根据pm颗粒的尺寸，检测体积甚至可以延伸超过焦点，例如对于大颗粒为1.2或1.5倍i0。以此方式，pm传感器适于检测距光学元件至少1.5mm远的pm。
[0052]
作为聚焦的替选方案，光学元件可以适于准直光束，即，使光束成形，使得光束内的不同光线在腔外部基本上平行。在这种情况下，在没有散射和没有衰减的假设下，光强度理论上沿着光束保持恒定。此外，具有准直光学元件而不是聚焦光学元件的这样的设置可以产生例如距光学元件直至3cm的大的检测体积。
[0053]
同样，考虑到检测体积的最大尺寸，有利的是，光学元件位于与至少一个光电探测器相同的平面中(即，位于与半导体芯片的集成有至少一个光电探测器的表面相同的平面中)，或者如前所述仅稍微高于或低于该平面。因此，在一个实施方式中，光学元件可以从至少一个光电探测器的平面突出，或者在另一实施方式中，仅稍微突出，例如最大突出0.6mm。同样有利的是，与光束垂直的光学元件的厚度较小，即低于2mm，特别是低于1mm。以这种方式，可以防止由光学元件导致的来自由光学元件附近的pm颗粒所散射的光的至少一个光电探测器的阴影。换言之，检测体积可以朝向光学元件增加，或者最佳地增加直至光学元件。
[0054]
同时，有利的是，腔的高度即光源与光学元件之间的距离为至少0.25mm，特别是至少0.45mm。这使得pm传感器对于诸如与最佳尺寸的微小偏差的制造误差更为稳健。再加上上述关于阴影的考虑，这就得出光学元件的厚度应当有利地小的结论。
[0055]
在一些实施方式中，基板布置在基础基板的顶部上，基础基板例如可以是由玻璃、半导体、陶瓷等制成的载体。在这样的实施方式中，腔可以由光学元件在一个(第一)端处界定，并且由基础基板在另一(第二)端处界定。光源可以布置在基础基板上，并且沿朝向光学元件的方向发射光。
[0056]
通常，光学元件可以来自折射光学元件特别是透镜或衍射光学元件。折射光学元件通过折射使光束成形，而衍射光学元件通过衍射使光束成形。这些原理也可以组合。在一些实施方式中，光学元件包括压印聚合物透镜或注射模制透镜。
[0057]
在一些实施方式中，光学元件可以包括玻璃载体基板和形成在玻璃载体基板上的光学结构，特别是聚合物透镜。光学结构可以例如通过用印模压印uv可固化聚合物、然后进行uv固化来形成，或者光学结构可以通过光刻来形成。
[0058]
在制造压印透镜的过程中，在玻璃载体基板上形成聚合物透镜。特别地，可以在玻璃载体基板上形成多个聚合物透镜。然后切割玻璃载体基板以形成单个透镜单元。然后将聚合物透镜与玻璃载体基板一起置于腔上。
[0059]
在实施方式中，玻璃载体基板的厚度小于1000μm，例如800μm，特别是小于750μm或小于600μm。
[0060]
在其他实施方式中，光学元件包括由cmos层堆叠中的一个或更多个层形成的膜。光学结构可以设置在膜上以形成光学元件。另外或可替选地，膜本身可以包括至少一个结构化cmos层以形成光学元件。膜因此用作衍射光学元件doe。特别地，膜可以用作对于光束透明的超材料，超材料包括有效地使光束成形的结构。为了生成这样的doe，例如以薄层的形式并例如通过从底侧几乎通过基板的整个厚度蚀刻基板从基板制造膜，使得膜保持在覆盖腔的基板的前侧。用于使光束成形的结构可以在cmos层堆叠的处理期间的前一步骤中产生，或者它们可以在随后的步骤中产生，例如通过使膜结构化、例如通过蚀刻、或者通过将结构涂敷至膜上。有利地，膜或超材料的厚度小于20μm，特别是小于10μm。
[0061]
通常，如上述实施方式中所提出的薄的光学元件能够使散射光的阴影最小化，从而提供大的检测体积。换言之，薄的光学元件便于光学元件与至少一个光电探测器之间的最小所需距离，同时防止阴影。而且，它便于pm传感器的小的整体形状因子。
[0062]
与光学元件相关的另一方面涉及杂散光，杂散光以不同于所需光束的其他方向、特别是朝向至少一个光电探测器离开光学元件，例如到侧面。如果这样的杂散光到达至少一个光电探测器，则它显著增加噪声水平，并因此降低pm传感器的信噪比，因此有效地降低检测体积。
[0063]
为了防止来自光学元件的特别是在朝向至少一个光电探测器的方向上的杂散光，pm传感器有利地包括在光学元件与至少一个光电探测器之间的光屏障。
[0064]
在一些实施方式中，光屏障包括面向至少一个光电探测器的光学元件的侧壁的黑化部或镀银部。特别地，黑化部或镀银部可以包括仅与载体玻璃层反应但不与上述聚合物透镜反应的选择性涂层。主要示例是通过公知的硝酸银工艺涂覆镜面层。术语“镀银部”应理解为用作光屏障但不一定由银组成的反射涂层。可以使用阻止光通过的其他材料。
[0065]
在一些实施方式中，光屏障包括由光学元件上的涂层形成的光圈，光圈限定用于光束的孔径。光圈可以例如通过玻璃载体基板上的铬涂层形成。特别地，对于玻璃载体基板上的压印聚合物透镜，具有孔径的光圈可以有利地放置在玻璃载体基板的顶侧或底侧中的至少一侧上。
[0066]
这样的光屏障允许阻挡杂散光到达至少一个光电探测器。同时，光束不受阻碍地通过光学束。此外，离开光学元件朝向腔的杂散光可以保持很大程度上不受影响，使得量化光源的光功率的上述方法对于这样的实施方式仍然是可行的。
[0067]
本发明还提供具有如本文所述的光屏障的光学元件，而与光学元件是否集成到pm传感器无关。
[0068]
光电探测器
[0069]
以下与一个或更多个光电探测器相关的公开内容应当被认为是结合pm传感器公开的，然而也在这种pm传感器的应用之外，即独立于pm传感器，而作为包括集成到半导体芯片中的光电探测器的光电探测器设备，其可以包括在半导体芯片的顶部的介电层和cmos金
属化部。
[0070]
虽然至少一个光电探测器可以是任何类型的光电探测器，但它是基于硅的光电探测器是有利的。优选地与由集成到优选的硅基板中的电子电路表示的控制单元一样，这样的光电探测器可以在相同的工艺步骤中制造，例如在cmos工艺步骤中制造。与其他半导体光电探测器相比，这样的光电探测器在制造期间更易于处理并且成本更低。因此，它们非常适合于制造大量的例如用于iot设备的pm传感器。
[0071]
在有利的实施方式中，颗粒物质传感器包括集成到半导体芯片的同一表面中的多个光电探测器。光电探测器可以布置成阵列，即多个光电探测器可以布置成规则图案。这是有用的，因为期望至少一个光电探测器覆盖大的面积，同时最小化到腔的第一端的距离，特别是到光学元件(如果存在)的距离。光电探测器可以设置在腔或光学元件周围的不同位置处，优选地在腔或光学元件的直径相对侧上，更优选地沿着腔或光学元件的周界分布在多个位置上。特别地，如果光电探测器布置成一个或更多个阵列，则一个或多个阵列可以分布在腔或光学元件周围。作为示例，四个光电探测器可以与光学元件分布在同一平面上。
[0072]
每个光电探测器可以形成像素。优选地，光电探测器像素各自具有小于1
×
1mm2、优选地小于0.5
×
0.5mm2、甚至更优选地小于0.3
×
0.3mm2的平面尺寸。相同的平方度量适用于非方形像素例如圆形像素的情况。
[0073]
以此方式，由检测体积中的pm散射并击中光电探测器的光的产量被最大化。
[0074]
此外，在此，上述几何考虑适用：至少一个光电探测器应当有利地尽可能靠近腔或光学元件。以此方式，从检测体积内的散射颗粒到至少一个光电探测器的光路长度被最小化，因此信噪比被最大化。
[0075]
可选地，pm传感器包括在至少一个光电探测器上的光学滤波器。这意味着光学滤波器覆盖与基板相对的至少一个光电探测器的表面。光学滤波器可以设置在半导体芯片的集成有至少一个光电探测器的表面上。有利地，光学滤波器滤除光源的主波长带之外的光和辐射。以此方式，由于寄生(spurious)光或辐射事件没有到达至少一个光电探测器，因此实现了背景抑制。光学滤波器可以是干涉滤波器，其包括具有不同折射率的多个层，以在期望的波长带之外引起相消干涉。
[0076]
在有利的实施方式中，光电探测器由例如具有栅格的形状的导电材料隔开，其中光电探测器例如以上面已经布置的图块或像素的形式布置在栅格的空位中。特别地，光电探测器可以通过基板的金属化部来隔开。以此方式，可以在半导体芯片的常规处理中集成制造导电材料，其中cmos层堆叠的最顶层金属化部被制造，使得它、特别是其划分边界用作隔开光电探测器的导电材料。光电探测器之间的这种导电材料可以接地并因此用作法拉第笼，并且可以朝向测量体积暴露。为了使导电材料接地，导电材料可以连接至传感器设备的接地连接器。特别地，导电材料适于保护光电探测器免受电磁干扰，例如与pm传感器的环境中的其他电子设备的电磁干扰。因此，像素尺寸的上述范围限定了金属化部之间的距离，并促进了对电磁干扰的屏蔽。
[0077]
为了进一步减小电磁干扰，有利的是，至少一个光电探测器划分成面向检测体积的第一分区和相对于检测体积中的pm散射的光被屏蔽的第二分区。例如，第二分区中的至少一个光电探测器可以被不透明层覆盖，所述不透明层至少在包含光源的主波长的波长范围内是不透明的。不透明层优选是电绝缘的，以确保两个分区暴露于相同水平的电磁干扰。
例如，不透明层可以通过喷墨印刷产生。这两个分离的分区可以用来检测和消除光电探测器中的下述信号，这些信号仅是由于不需要的电磁干扰而不是由于检测体积中的pm散射的光引起的。为此，控制单元适于执行第一分区和第二分区的差分测量。特别地，由此消除了对至少一个光电探测器的第一分区和第二分区的电磁干扰的寄生效应。
[0078]
进一步的方面
[0079]
如上面已经提及的，基板可以包括间隔件。半导体芯片可以接合至间隔件，特别是在半导体芯片的背表面处，该背表面背离集成有光电探测器的表面。腔可以形成在间隔件和半导体芯片两者中。通过使用间隔件，可以增加光源与光学元件之间的距离。增加光源与光学元件之间的距离使得能够使用具有更大焦距的光学元件。这可以特别是对检测体积的尺寸和对生产公差的灵敏度具有若干有益效果。
[0080]
如已经提及的，pm传感器可以包括基础基板。光源可以安装在基础基板上。基板也可以布置在基础基板上，使得光源布置在腔中。如果基板包括半导体芯片，则半导体芯片可以直接连接至基础基板。如果基板包括间隔件，则间隔件可以布置在基础基板与半导体芯片之间。基础基板优选地在与半导体芯片的集成有光电探测器的表面平行的平面中延伸。基础基板可以形成或者包括平面栅格阵列(land grid array)。
[0081]
为了减少从光源通过腔的侧壁到达至少一个光电探测器的光量，可以将不透明涂层涂覆至腔的侧壁。同样，为了减少环境光的效应，可以将不透明涂层涂覆至基板或半导体芯片的背表面，该背表面背离集成有至少一个光电探测器的表面。如果基板包括半导体芯片和间隔件，则可以将不透明涂层涂覆至间隔件的背面、涂覆至半导体芯片的背面、或涂覆至两者。不透明涂层可以包括金属化部和/或通过喷墨工艺涂覆的涂层。
[0082]
腔可以具有对称轴。特别地，腔可以关于对称轴具有离散或连续旋转对称性。对称轴优选地垂直于半导体芯片的集成有光电探测器的表面。对称轴优选地平行于由光学元件限定的光轴。它可以与光轴重合。
[0083]
pm传感器还可以包括光阻挡元件，该光阻挡元件以下述方式被布置在半导体芯片的集成有光电探测器的表面上，使得光阻挡元件相对于从检测体积中的颗粒物质颗粒散射的光而选择性地屏蔽光电探测器中的一个或更多个的部分，所述部分取决于颗粒距半导体芯片的集成有至少一个光电探测器的表面的距离，而一个或更多个其他光电探测器不被光阻挡元件屏蔽。光阻挡元件可以由光学元件的非对称延伸部形成。控制单元可以被配置成通过将来自被光阻挡元件部分屏蔽的光电探测器的信号与来自未被光阻挡元件屏蔽的光电探测器的信号进行比较来确定颗粒距半导体芯片的集成有至少一个光电探测器的表面的距离的度量。控制单元还可以被配置成在确定与颗粒物质相关的物理量时将所确定的距离考虑在内。特别地，可以通过将所述距离考虑在内来更可靠地确定pm的尺寸参数。
[0084]
为了机械地保护基板，pm传感器可以包括横向地包围基板的外壳，外壳由模制材料制成。
[0085]
根据本发明的另一方面，pm传感器模块包括壳体和布置在壳体中的流动通道。此外，pm传感器模块包括布置在壳体中并适于使空气移动通过流动通道的风扇或加热器以及如以上实施方式中的任何一个或以下实施方式中的一个所描述的pm传感器，其中，pm传感器被布置在壳体内使得流动通道的一部分与检测体积重合。
[0086]
根据另一方面，本发明提供了使用如本文中所描述的颗粒物质传感器确定颗粒物
质的物理量的方法。该方法包括：
[0087]
操作光源以发射光束；
[0088]
操作至少一个光电探测器以检测已经由与光束相交的颗粒物质散射的光；以及
[0089]
分析来自至少一个光电探测器的信号以确定指示颗粒物质的物理量的至少一个参数。
[0090]
如上所说明的，至少一个参数的确定可以涉及确定光源的光功率和/或确定颗粒距其中集成了至少一个光电探测器的半导体芯片的表面的距离和/或对来自屏蔽分区和非屏蔽分区的信号执行差分测量。
[0091]
根据另一方面，本发明提供了制造如本文中所描述的颗粒物质传感器的方法，该方法包括以下步骤：
[0092]
a)在半导体芯片的表面中形成至少一个光电探测器；
[0093]
b)沿着垂直于所述表面的方向蚀刻半导体芯片以形成腔的至少一部分；
[0094]
c)可选地，将半导体芯片接合至间隔件，该间隔件形成腔的另一部分；
[0095]
d)在腔中布置光源，光源被配置成朝向腔的第一端发射光束；
[0096]
e)可选地，在半导体芯片上设置光学元件，光学元件在第一端端处界定腔，该光学元件被配置成使光束成形。
[0097]
步骤b)通常在步骤a)之后被执行，但是也可以在步骤a)之前被执行。步骤c)如果存在的话，则通常在步骤a)和b)之后被执行。步骤d)通常在步骤a)和b)之后并且如果步骤c)存在的话在步骤c)之后被执行。步骤e)可以与步骤a)和b)同时被执行，如在doe集成到由cmos层堆叠的层形成的膜中的情况下，或者步骤e)可以在步骤b)至d)中的任何一个之后被执行。
[0098]
该方法可以涉及其他步骤，例如，在如本文中所描述的半导体芯片中形成控制单元的至少一部分即asic，在如本文中所描述的半导体芯片上设置光学滤波器，将涂层涂覆至腔壁和/或涂覆至如本文中所描述的半导体芯片和/或间隔件的背侧，通过本文中所描述的方法中的任何一个形成光学元件，在基础基板上布置光源和基板，在asic与基础基板之间和/或在光源与基础基板之间形成引线接合，将基板包围在由模制材料制成的外壳中，以及将pm传感器集成在如本文中所描述的pm传感器模块中。
[0099]
其它有利的实施方式在从属权利要求中以及在下文的描述中列出。
附图说明
[0100]
从以下对其的详细描述中本发明将被更好地理解并且除了上面所阐述的那些目的以外的目的将变得明显。这样的描述参考附图，在附图中：
[0101]
图1示出了通过根据本发明的实施方式的pm传感器的示意性纵向截面；
[0102]
图2示出了图1的pm传感器的透视图；
[0103]
图3至图6示出了图1的pm传感器的不同方面；
[0104]
图7至图9示出了通过根据本发明的实施方式的具有不同光学元件的pm传感器的示意性纵向截面；
[0105]
图10示出了通过根据本发明的另一实施方式的pm传感器的示意性纵向截面；
[0106]
图11a示出了通过根据本发明的实施方式的pm传感器的示意性纵向截面，从而与
图1至图10相比更详细地示出了pm传感器；
[0107]
图11b示出了图11a中的pm传感器的示意性功能图；
[0108]
图12示出了通过根据本发明的又一实施方式的pm传感器的示意性纵向截面；
[0109]
图13a和图13b示出了示出针对根据图12的pm传感器的信号处理的示意图；
[0110]
图14至图26示出了通过根据本发明的实施方式的pm传感器的示意性纵向截面；
[0111]
图27示出了具有光电探测器的两个分区的pm传感器的透视图；
[0112]
图28示出了通过根据第一实施方式的传感器模块的示意性纵向截面；以及
[0113]
图29示出了通过根据第二实施方式的传感器模块的示意性纵向截面。
具体实施方式
[0114]
贯穿本说明书和权利要求书中，术语“特别是”、“优选地”和“可选地”应被理解为表达相应的主题是可选的。
[0115]
pm传感器的一般设置(图1和图2)
[0116]
图1示出了通过根据实施方式的pm传感器的示意性剖面图，而图2示出了pm传感器的透视图。在基础基板6上，在基板中形成腔5，其在本示例中由半导体芯片4形成。替选地，基础基板6也可以是半导体芯片4的一部分。腔被由基板形成的侧壁26界定。优选地从基板的底侧(背侧)形成腔5，因此也可以示出如由虚线所指示的倾斜的侧壁。在腔5中，在腔的底端、即面向基础基板6的端处布置有光源1。光源1的示例是激光二极管，特别是垂直腔面发射激光器(vcsel)。在腔5的上端、即与底端相对的端处，布置可选的光学元件2，从而封闭腔5。光学元件2限定光轴20。此外，光电探测器3例如光电二极管被集成到光学元件2的两个或更多个侧面上的半导体芯片4中。
[0117]
如图1中所描绘的，光电探测器3被集成到半导体芯片4的上表面上，从而背离基础基板6。该表面限定了平面，该平面在下面将被称为“光电探测器平面”。光电探测器平面垂直于光轴20延伸。在图1的实施方式中，光学元件2被基本上布置在光电探测器平面中。特别地，光学元件2不应当超过光电探测器平面突出超过1mm。其原因已经在上面进行了讨论，并且在图9中示出：突出透镜15导致阴影，使得由比颗粒9更接近透镜15的pm颗粒散射的散射光脉冲10不会到达光电探测器3，从而不会被检测到。
[0118]
如图2中所描绘的，半导体芯片4的上表面可以包括光电探测器3的阵列，例如四个光电探测器像素的阵列。金属化部18被设置在单独的光电探测器像素之间或周围。金属化部18可以由任何导电材料制成。有利地，它们是在半导体芯片4的cmos层堆叠的常规加工期间通过使表面上的金属层之一暴露而形成的。金属化部18在接地时充当法拉第笼，并且屏蔽光电探测器3免受电磁干扰，从而免受寄生(spurious)信号的影响。特别地，cmos层堆叠的金属化层中的一些可以形成用于读出光电探测器的连接，同时金属化层中的至少一个金属化层(优选最顶层)可以被接地以充当法拉第笼。可以在半导体芯片上形成接地触点以用于将相应层连接至地。优选地，光电探测器像素3各自具有小于1x1mm2的平面尺寸，优选地小于0.5x0.5mm2的平面尺寸，甚至更优选地小于0.3x0.3mm2的平面尺寸。相同的正方形度量适用于非正方形形状的像素，例如圆形形状的像素。
[0119]
在图2中，未示出光学元件2。实际上，在一些实施方式中，例如，在光源1本身已经产生具有足够小的发散的光束的情况下，光学元件2可以被省去。
[0120]
pm传感器的操作(图3至图6)
[0121]
图3至图6示出了图1的pm传感器的各个方面。光源1被接通，从而朝向光学元件2发射光。光学元件2使光束7成形并且特别地使光束7聚焦在焦点21处。在测量设置中，如图4中所示，pm颗粒9接近光束7。这可以例如通过将pm传感器放置在流动通道的壁上来实现，其中，带有pm的空气被风扇或替代地加热器吹过流动通道(参见下面的图28和图29的讨论)。
[0122]
图4至图6描绘了具有不同剖面线的光束7的一部分：这是检测体积8，其中限定了检测体积8中存在的pm颗粒9生成足够大的散射光脉冲10，使得其被光电探测器3中的至少之一检测，从而意味着光电探测器3中的所得信号超过噪声水平，例如暗电流噪声。
[0123]
在同一平面中具有聚焦光学元件2和光电探测器3的所提出的设置具有如下优点：检测体积8到达至少直至光学元件2的焦点21。上面已经讨论了其几何原因。特别是对于大的pm颗粒9，检测体积8甚至可以延伸超过焦点21，即散射颗粒高度11可以比光学元件2的焦距大同时颗粒仍然被检测到。
[0124]
通常，检测体积8的尺寸和形状可以通过改变光源1的光功率、光学元件2的焦距、光源1与光学元件2之间的距离、光学元件2与光电探测器3之间的距离、光电探测器3的灵敏度、从而降低噪声水平的电磁屏蔽等参数中的一个或更多个而被优化和调整成特定应用。
[0125]
光学元件的设计
[0126]
图7至图9示出了如图1的pm传感器的类似实施方式，然而，其具有不同的光学元件2。在图7中，光学元件是例如由玻璃或聚合物制成的常规光学透镜12。取决于透镜材料的光学指数，常规光学透镜12需要具有一定的厚度，以便呈现由折射定律引起的期望的焦距。
[0127]
图8中示出了替选的光学元件：例如被布置在膜22上的衍射光学元件(doe)13可以对于相同的焦距以较小的厚度被结构化。可以在制造期间从半导体芯片4的cmos层堆叠中暴露用于doe 13的膜22。在特定实施方式中，doe 13可以是超材料，例如其中膜的表面已经被结构化成使得其有效地充当光学透镜。
[0128]
图9示出了又一光学元件：透镜被设置在载体基板上，例如聚合物透镜15如上所述被设置在玻璃载体基板23上。在玻璃载体基板23上的这种透镜15可以被制造为在玻璃载体基板23上的压印聚合物透镜，然后例如借助于粘结剂被安装在半导体芯片4上。由于玻璃载体基板23和半导体芯片4的热膨胀系数匹配或至少相似，因此粘结剂中的应变在温度循环时减小。
[0129]
图9还示出了与如上所述的散射光的球面波前的传播有关的几何考虑：光电探测器3距光轴20、从而距光学元件的距离14被有利地最小化。这导致大的检测体积8，或者换言之，导致高的pm计数。
[0130]
图9和图10描绘了本发明的实施方式的另一有利特征。光学元件2的侧壁在玻璃载体基板23承载透镜15的这种情况下被设置有光屏障19，例如，黑化部或镀银部。这防止来自光学元件的杂散光在直接路径上到达光电探测器3，这会显著提高噪声水平并且降低pm传感器检测pm颗粒的能力，即会显著降低检测体积8。黑化或镀银可以通过将选择性涂层涂覆到玻璃载体基板23而实现，例如通过绑定到玻璃载体基板23而不是聚合物透镜15的玻璃并使其黑化或镀银的化学物质而实现。另外，这样的涂层就其本质而言是薄的并且因此不会以材料的方式增加到光学元件的横向厚度并且因此不会使上述阴影恶化。
[0131]
图10示出了通过根据另一实施方式的pm传感器的示意性剖面图。该pm传感器与图
1的pm传感器共享大多数特征。然而，该pm传感器仅在光学元件的一侧具有光电探测器3，该光学元件在所示实施方式中再次是在载体基板23上的透镜15。在相对侧上，光学元件由支承件16支承，该支承件16例如可以是由基板形成的伪基板间隔件或模制框架。图10的pm传感器可以明显地具有比图1至图9的pm传感器更小的信噪比。然而，可以利用甚至更小的形状因子构建目前的pm传感器，从而使其非常适合于小型化应用。
[0132]
pm传感器的细节(图11a)
[0133]
图11a示出了pm传感器的类似于图9的实施方式的实施方式，所示出的传感器比图1至图10的更详细。
[0134]
在该实施方式中，半导体芯片4是承载cmos层堆叠24的硅芯片。通过cmos工艺在半导体材料中形成光电探测器3。例如，每个光电探测器3可以是通过在硅芯片的正掺杂部分中创建负掺杂阱而形成的光电二极管。为了使光能够到达该光电二极管，借助于蚀刻去除光电二极管上方的cmos层堆叠。光电二极管的阳极和阴极被连接至cmos层堆叠24的金属化层。
[0135]
在cmos层堆叠24中形成模拟和数字电子电路系统。电子电路系统形成专用集成电路(asic)。asic尤其充当控制单元27，如下面将参考图11b说明的。
[0136]
在半导体芯片4中形成用于确定光源1的光功率的辅助光敏检测器25。这种检测器也可以被称为“反馈检测器”，因为它可以提供反馈以在闭环中调节光源1的输出。辅助检测器25可以是与主光电探测器3相同的类型。优选地，辅助检测器25是光电二极管。可以以与主光电探测器3相同的方式在半导体芯片4中形成辅助检测器25。辅助检测器25优选地被布置成非常接近对腔5进行界定的侧壁26的表面。辅助探测器优选地具有与主光电探测器3的总表面面积相比非常小的表面面积。例如，辅助检测器可以覆盖小于100μm x 100μm、例如50μm x 50μm的表面面积。以这种方式，辅助检测器25对已经被检测体积8中的pm散射的光相对不敏感。然而，辅助检测器25对可能通过其它光路到达辅助检测器25的光敏感。
[0137]
由辅助检测器25接收的光可以具有至少两个不同的源头。一方面，辅助检测器25可以接收已经由光源1大致沿其主发射方向即大致沿光束7的方向发射并且在光已经离开光学元件之前已经散射远离该方向的光。这种散射可能发生例如在光学元件的表面处或在光学元件内。在本公开内容中，这种类型的光被指定为“杂散光”。另一方面，辅助检测器25可以接收已经由光源沿着除其主发射方向之外的其它方向发射的光。例如，如果光源是vcsel，则光源具有主发射表面，在该主发射表面处发射光束7，并且光源具有横向侧壁。主发射表面面向光束的方向。vcsel通常也通过自发发射在其横向侧壁生成一定量的光。这种光也可以传播至辅助检测器25。
[0138]
在图11a的示例中，存在从光源1至辅助检测器25的至少三条可能的光路：
[0139]-第一光路延伸通过半导体芯片4。光进入硅的穿透深度取决于波长。在940nm的典型ir波长下，在大约100μm之后，光强度降低至大约10％(1/e2)。这种光路与由自发发射生成的光特别相关。如果期望通过监测由自发发射生成的光的强度来监测光源1的光功率，则辅助检测器25因此应当被布置为尽可能地接近对腔5进行界定的侧壁26的表面，并且侧壁26的表面不应当被不透明材料覆盖。另外，辅助检测器25的顶表面可以被cmos层堆叠的层中的至少一些层覆盖，以防止光从辅助检测器25上方冲击。
[0140]-第二光路延伸通过cmos层堆叠24。cmos层堆叠可以充当垂直于光学元件的光轴
的光导，即在光电探测器平面中的或平行于光电探测器平面的光导。进入cmos层堆叠的光将因此被引导至辅助检测器25。在一些实施方式中，杂散光和/或来自自发发射的光可以在腔壁26处进入cmos层堆叠，如在图11a的实施方式中那样。然而，在实践中，这种机制往往可能被忽视。在其他实施方式中，膜22由cmos层堆叠的一个或更多个层形成(如在图8的实施方式中那样)，并且杂散光可以源自膜22内和/或在其边界处的散射事件，从而导致在cmos层堆叠内直接生成杂散光。该光路即使在腔5的侧壁26的表面上存在不透明层也是活跃的。
[0141]-第三光路延伸通过光学元件。在图11a的示例中，光学元件是在玻璃载体基板23上的聚合物压印透镜15。玻璃载体基板23能够将杂散光引导至其底表面的被直接布置在辅助检测器25上方的一部分。离开玻璃载体基板23的该部分的光可以从上方命中辅助检测器25。类似的考虑也可适用于其它类型的光学元件。同样该光路即使在腔5的侧壁26的表面上存在不透明层的情况下也是活跃的。
[0142]
取决于辅助检测器25相对于腔5的布置(特别是，其与腔壁的横向距离)，取决于光学元件的存在或不存在、类型和布置(例如，是否存在光学元件，光学元件是否包括由cmos层堆叠制造的膜，是否存在从光学元件到辅助检测器的顶部的直接光路，辅助检测器是否被cmos层堆叠的一个或更多个不透明层覆盖)，以及取决于如在腔侧壁的表面上添加不透明层的其他措施，由辅助检测器25接收的光可以由杂散光或由来自自发发射的光主导。因此，控制单元27可以根据杂散光、根据自发发射或根据二者的组合来确定光源的光功率。
[0143]
光学滤波器28被设置在半导体芯片4的顶表面上，覆盖光电探测器3和辅助检测器25二者。光学滤波器28是光学带通滤波器，仅允许包括光源1的波长的波长范围内的光通过。光学滤波器28是使用其中不同折射率的若干层堆叠在彼此的顶部上的晶片级工艺应用的干扰滤波器。每个层的厚度可以在光源的主波长的大约四分之一波长的范围内。这导致对于除所期望的波长带之外的所有波长的破坏性干扰。对于主光电探测器3，光学滤波器28有助于避免由环境光引起的升高的噪声水平和dc饱和，从而提高源自pm的信号脉冲的信噪比水平。对于辅助检测器25，光学滤波器28减少了环境光对输出信号的贡献，从而使辅助检测器25对环境光相对不敏感。
[0144]
pm传感器的接合和封装可以如下执行：基础基板6可以是例如平面栅格阵列(lga)。光源1和控制器27可以通过引线接合件31连接至lga的平面。在pm传感器的制造期间，光源1最初可以被安装在lga上并且可以被引线接合至lga的适当平面。在一些实施方式中，具有与其接合的光源的lga可以被设置为预装配单元。例如，有时以lga上的预装配单元的形式提供vcsel。此后，半导体芯片4及其腔5和cmos层堆叠24可以以光源1被布置在腔5中的这样的方式被安装在lga上(例如，被粘至lga)。cmos层堆叠24中的电路系统然后也可以被引线接合至lga。此后，所得组件可以通过开放腔模制被部分地封装在外壳32中，从而使可从上方进入光电探测器3、辅助检测器25和腔5。在一些实施方式中，光学元件最后被附接至半导体芯片4以覆盖腔5。在其它实施方式中，光学元件可以在先前的生产步骤中已经被创建或被附接至半导体芯片。
[0145]
在图11a的实施方式中，如在一些其它实施方式中一样，光学元件是玻璃载体基板23上的聚合物透镜15。特别地，透镜可以是“晶片级光学透镜”或简略地“wlo透镜”。在晶片级光学下，以晶片的形式提供载体基板，在晶片上创建光学结构，并且随后对晶片进行切割。特别地，可以通过利用uv可固化聚合物涂覆该晶片、利用晶片大小的印模压印未固化的
聚合物、以及uv固化该聚合物来在晶片上创建聚合物透镜。在本公开内容中，以这种方式创建的聚合物透镜被称为压印聚合物透镜。
[0146]
玻璃载体基板23的侧壁可以被设置有光屏障19即不透明涂层，以防止杂散光到达光电探测器3。光屏障19可以是镜状镀银部，其可以使用公知的硝酸银镜面工艺被涂覆到玻璃载体基板23的侧壁上。为此，在形成玻璃载体基板的玻璃晶片上创建聚合物透镜15之后，晶片被安装在切割箔上并且被切割。随后，通过硝酸银镜面工艺处理切割的晶片。由于晶片的背侧被切割箔保护并且从其形成透镜的聚合物不与化学物质反应，因此这仅是在玻璃载体基板23的切割侧壁上形成镜。
[0147]
为了进一步降低杂散光问题的风险，可以在玻璃载体基板23的顶部和/或底部表面上设置形成限定孔径的光圈的其他涂层29。涂层29可以是例如铬涂层。在图11a的示例中，铬涂层已经被涂覆到玻璃载体基板23的顶表面上。该涂层形成限定孔径的光圈，并且聚合物透镜15被设置在孔径中。代替在玻璃载体基板的顶部上形成光圈或者除了在玻璃载体基板的顶部上形成光圈之外，还可以在玻璃载体基板的底部上形成限定孔径的光圈。
[0148]
尽管已经使用形成玻璃载体基板的玻璃晶片的示例说明了晶片级光学元件的原理，但是载体基板也可以由与玻璃不同的材料形成。
[0149]
控制单元(图11b)
[0150]
图11b是图11a的pm传感器的示意性功能图。控制单元27既从光电探测器3又从辅助光敏检测器25接收信号。控制单元27处理来自光电探测器3的信号以检测与源自光束7的检测体积8中的pm的光脉冲对应的信号脉冲。控制单元27还分析这些信号脉冲以导出指示pm的物理量的至少一个参数，例如指示pm浓度的参数、至少一个pm尺寸参数(例如平均尺寸和/或表征尺寸分布的至少一个参数)、和/或至少一个pm速度参数。例如，pm浓度参数的确定可以基于每单位时间的脉冲数和经过pm传感器的流体流的已知的、测量的或估计的流速，因为其本身是公知的。pm尺寸参数的确定可以基于脉冲的幅度，因为其本身也是公知的。在计算pm参数时，控制单元27可以考虑如由来自辅助检测器25的信号所表示的光源1的光功率。控制单元27还可以使用来自辅助检测器25的信号以通过闭环控制算法来控制光源1的光输出功率。控制单元还可以考虑pm颗粒距光电探测器平面的距离，如将结合图12更详细地说明的。
[0151]
总之，控制单元27具有两个主要目的：a)处理来自光电探测器3的信号以导出指示pm的属性的至少一个参数；和b)使用辅助检测器25监测和可选地控制光源1的输出功率。
[0152]
在一些实施方式中，控制单元27可以在由cmos层堆叠24形成的asic中的“芯片上”完全实现。在其它实施方式中，控制单元27的功能的一部分可以在所述asic中实现，而其它功能可以在外部电路系统中在“芯片外”实现。外部电路系统可以例如经由基础基板6被连接至asic。例如，从主光电探测器3和/或辅助检测器25接收的信号的一些初始处理步骤例如信号放大、模拟数字转换和滤波可以通过由cmos层堆叠24形成的asic在芯片上执行，同时后续处理步骤例如用于计算指示pm的属性的参数的计算步骤和/或用于控制光源1的控制信号的计算可以由外部电路系统在芯片外执行。外部电路系统可以包括通用处理器或专用处理器，所述通用处理器或专用处理器被配置成执行使处理器执行用于确定所述参数的一个或更多个处理步骤的计算机程序。
[0153]
距离确定(图12、图13a、图13b)
[0154]
图12示出了pm传感器的允许确定距检测到的颗粒与光束7交叉的光电探测器平面的距离的实施方式。为此，光学元件可以由非对称延伸部41补充。
[0155]
非对称延伸部41选择性地朝向光电探测器中的一个或更多个横向地延伸，从而部分地屏蔽这些光电探测器，而不屏蔽其它光电探测器。在图12的示例中，部分屏蔽的光电探测器被指定为光电探测器3b，而非屏蔽的光电探测器被指定为光电探测器3a。非对称延伸部41相对于与接近光学元件的光束7交叉的pm颗粒的一些光而屏蔽受影响的光电探测器3b。这在图12中使用以距光电探测器平面不同距离通过pm传感器的两个pm颗粒9、9'的示例来示出。颗粒9以相对较大的距离通过pm传感器。非对称延伸部41并不阻止从该颗粒散射的任何光到达光电探测器3b。因此，光电探测器3a和3b接收相同量的散射光。与之相对，颗粒9'以距光电探测器平面相对较小的距离通过pm传感器。由于非对称延伸部41屏蔽了从颗粒9'散射的一些光，因此光电探测器3a和3b接收不同量的散射光。
[0156]
图13a以示意性的方式示出了由分别从颗粒9和9'接收的散射光引起的由光电探测器3a和3b记录的信号脉冲。在时刻t1，光电探测器3a和3b接收来自颗粒9的散射光。所得信号脉冲具有大致相同的幅度。在时间t2，光电探测器3a和3b接收来自颗粒9'的散射光。来自光电探测器3a的所得信号脉冲远大于来自光电探测器3b的脉冲。
[0157]
图13b示出了来自光电探测器3a和3b的信号的所得比率。该比率是当颗粒与光束7相交时颗粒距光电探测器平面的距离的直接度量。特别地，该比率呈现以下行为：
[0158]
a)该比率越接近1(信号水平相等)，则颗粒在其与光束相交时越远离光电探测器平面。
[0159]
b)该比率越接近0(在面向非对称延伸部的光电探测器3b处由于阴影而没有光)，则颗粒在其与光束相交时越接近光电探测器平面。
[0160]
c)0与1之间的比率对应于颗粒距光电探测器平面的不同距离。
[0161]
该信息可以由控制单元27使用以补偿所述距离可能对信号水平具有的不需要的影响。例如，如果光束7沿着光轴的强度分布是已知的，则控制单元27可以针对已知的强度分布校正测量的脉冲幅度。因此，可以获得颗粒的尺寸的更好估计。一般而言，可以实现更好的传感器性能。
[0162]
而在图12中，光学元件的非对称延伸部41的效应是使用在玻璃载体基板23上的聚合物透镜15的示例来示出的，同样的构思也可以用于其他类型的光学元件。
[0163]
更一般而言，非对称延伸部41是光阻挡元件的示例，其以这样的方式被布置在半导体芯片4上，这样的方式即其选择性地屏蔽一个或更多个光电探测器的一部分使其免受从光束7中的pm颗粒散射的光的影响，所述部分取决于颗粒距光电探测器平面的距离。光阻挡元件可以与光学元件分离。光阻挡元件可以横向地邻近光学元件布置。如果光学元件完全不存在，甚至可以提供光阻挡元件。
[0164]
腔的侧壁上的不透明涂层(图14和图15)
[0165]
在腔的侧壁和/或半导体芯片4的面向基础基板6的底侧上创建“光阻挡器”，即涂层，该涂层对光源1的主要发射波长不透明，防止来自光源1的直接光和/或杂散光通过半导体芯片到达光电探测器。以这种方式，可以防止检测器的饱和，和/或可以降低(肖特基)噪声。较低的噪声水平意味着可以选择pm检测的较低阈值，这导致增加的性能。特别地，可以检测到更小的颗粒。增加了数据评估的统计数据，从而导致更好的准确度。
[0166]
在图14的实施方式中，这样的涂层由半导体芯片4的背侧金属化部51形成。这样的金属化部可以例如通过溅射沉积而被创建。如果沉积工艺是在腔被蚀刻到半导体芯片中之后被执行的，那么腔侧壁也将会自动地被金属化部51覆盖。用于金属化部的合适材料的示例非限制性地是al、cu、ag、ti和tin。可感测的金属化厚度范围从50nm直至1μm或更大。
[0167]
然而，这样的金属化工艺与如图8的示例中的包括由一个或更多个cmos层形成的膜的产品设计不兼容，原因是金属化部将使膜不透明。因此，用于在芯片表面上创建不透明涂层的其它工艺应当用于这样的实施方式。
[0168]
图15中示出了已经通过替选工艺创建不透明涂层52的实施方式。在该实施方式中，由cmos层堆叠24的一个或更多个层形成的膜22跨越腔5。膜可以是光学元件的一部分，如下面将更详细地说明的，或者膜可以被简单地设置以用于保护光源免受污染。可以通过晶片级喷墨印刷到腔5中来创建不透明涂层52。该工艺非常具有成本效益。它与由于小液滴尺寸使用膜22的产品设计兼容。为了防止墨水朝向膜中心——其应当保持透明以允许光束穿越——溢出，流动停止结构53(例如，由膜中的氧化物构成的环)可以被设计到膜22中。
[0169]
注意到，被设置在膜22上的在流动停止结构53径向外侧的墨水可以被认为表示限定孔径的光圈的另一示例，如上文通过铬涂层的示例的方式所讨论的。
[0170]
在两个实施方式(金属化部或喷墨涂层)中，如果腔侧壁如由图1中虚线所指示朝向半导体芯片4的背侧倾斜，则这是有利的。
[0171]
间隔件(图16)
[0172]
图16示出了其中在基础基板6与半导体芯片4之间布置间隔件61的实施方式。间隔件61和半导体芯片4一起形成基板60。
[0173]
间隔件61优选地也由硅制成。间隔件61具有从间隔件61的面向基础基板6的底侧一直延伸至其面向半导体芯片4的顶侧的中心开口(通孔)。中心开口与半导体芯片4中的腔同轴地布置。半导体芯片4中的腔和间隔件61中的中心开口一起形成其中布置有光源1的腔5。
[0174]
在图16的实施方式中，间隔件61中的中心开口具有比半导体芯片4中的腔的横向尺寸稍大的横向尺寸。然而，在其它实施方式中，间隔件61中的开口的横向尺寸与半导体芯片4中的腔的横向尺寸相比可以相同或更小。
[0175]
间隔件61增加了光源1与光学元件之间沿着光轴20的距离h。较大的距离h允许使用具有较大焦距的光学元件。一方面，这样的光学元件可能更易于生产。另一方面，光学元件的较大焦距提供了增加光学元件与光束焦点之间的距离的可能性。应当注意，该距离不一定与光学元件的焦距相同，由于焦点的位置一般取决于光源的发射特性(例如发散的与准直的)，并且在发散发射的情况下，取决于光源与光学元件之间的距离h。通过增加光学元件与光束焦点之间的距离，可以增加检测体积8的尺寸。光源1与光学元件之间的较大距离h也降低了设置对制造过程和材料的变化的敏感性、特别是对半导体芯片4的厚度变化的敏感性，从而增加了生产稳定性并且减少了性能的器件到器件变化。如果使用准直(圆柱形)光束而不是聚焦光束，这是特别重要的，原因是准直对光源与光学元件之间的距离的公差特别敏感。
[0176]
如果不使用间隔件，则距离h受到从其生产半导体芯片4的晶片的最大可用厚度的限制。例如，商业上可获得8英寸硅晶片的最大厚度通常为720μm。通过使用也由硅晶片制造
的间隔件，基板60的总厚度可以容易地增加一倍。如果期望甚至更大的厚度，可以堆叠两个或更多个间隔件，或者可以通过使用可以在更大的厚度下可用的更大的晶片获得更厚的间隔件。
[0177]
因此，在其中集成光电探测器3的半导体芯片4的厚度变成可自由调节的设计参数。例如，变得可以使用薄硅晶片(通常在300μm左右)以用于制造光电探测器3和电子电路系统，并且通过使用期望厚度的间隔件61来补偿光源1与光学元件之间所需距离的其余部分。
[0178]
其中集成光电探测器的晶片和硅间隔件晶片可以在切割之前通过现成的接合技术例如其中两个si晶片使用范德华力彼此接合的《直接接合》工艺而被连接。替选地，使用结构化箔作为接合接口的《粘结剂接合》也是可用的。
[0179]
如果期望，不透明涂层可以被涂覆至中心开口的侧壁和/或间隔件的背侧，如上面关于其中集成光电探测器的半导体芯片所描述的一样。
[0180]
尽管图16示出了在玻璃载体基板23上的聚合物透镜15形式的光学元件，但是可以使用与间隔件组合的任何光学元件。
[0181]
膜上的压印(图17至图19)
[0182]
可以通过将充当折射光学元件(roe)或衍射光学元件(doe)的结构直接沉积在由cmos层堆叠的一个或更多个层形成的膜上来生成光学元件。图17至图19中示出了示例。
[0183]
通常通过在硅晶片上创建cmos层堆叠并且随后从背侧蚀刻晶片以创建腔5来创建膜22。可以通过层堆叠中的最底层氧化物层形成蚀刻停止。可以经由从腔内和/或从cmos层堆叠的顶部的进一步蚀刻来完成膜的进一步变薄。在膜的区域中，cmos层堆叠应当优选地仅包括sio和/或sin层，以便使膜对光透明。
[0184]
然后通过晶片级光学工艺直接在膜22上创建光学结构。直接施加到从其形成半导体芯片4的晶片的晶片级光学工艺具有若干优点：制造公差将减小，原因是光学元件是通过晶片级工艺创建的。可以使光学元件更接近光电探测器平面，光电探测器平面中布置有光电探测器。由光学元件引起的阴影被最小化，从而增加测量体积。传感器上方的流动将变得更加分层。测量准确度一般在层流中较好。另外，传感器将不太易于积聚污垢，并且因此可以实现增加的寿命。该设计在腔的第一端是原生流体密封的，并且因此特别适合于像可穿戴设备的应用，在这些应用中需要一定程度的防水性。
[0185]
在图17的实施方式中，通过晶片级压印在膜22上直接创建聚合物透镜71。如图18和图19中所示，也可以压印菲涅尔透镜72(图18)或衍射光学元件(doe)图案73(图19)以用于甚至更平坦的器件地貌。
[0186]
也可以通过相关的晶片级技术如纳米压印光刻或灰度光刻在膜22上创建roe或doe图案。在灰度光刻中，在旋涂工艺中光致抗蚀剂被涂覆至晶片表面。标准光刻装备与灰度掩模结合使用，以部分地固化光致抗蚀剂。去除未固化的抗蚀剂，留下光学元件的形状残留在晶片上。也可以使用直接激光写入来完成灰度光刻，其中通过在扫描晶片上的光致抗蚀剂表面的同时改变激光功率来调制灰度固化强度。
[0187]
在所有这些技术中，光学聚合物或光致抗蚀剂不应当覆盖光电探测器3，或者不应当覆盖用于引线接合在半导体芯片4上的焊盘。这可以通过经过部分透明的印模选择性地uv固化光学聚合物或光致抗蚀剂来实现。可以在制造光学元件之后从半导体芯片4的表面
去除未固化且仍为液态的聚合物。
[0188]
分配的或液滴微透镜(图20)
[0189]
在一些实施方式中，光学元件可以包括分配的或液滴微透镜74，如图20中所示。分配的或液滴微透镜通过像表面张力、润湿或反润湿以及重力的现象的作用而获取其形状。分配的或液滴微透镜的形状由包括膜表面能、液滴体积、膜表面的结构化和液滴表面张力的若干因素确定。这些参数可以在一定程度上变化以影响微透镜的光学属性。例如，可以通过等离子体工艺改变膜表面能。可以通过选择不同的透镜材料来改变液滴表面张力。
[0190]
也可以使用熔化的光致抗蚀剂工艺来获得液滴透镜。在该工艺中，使用(二进制)光刻在膜的顶部上创建聚合物支柱。随后使用软熔焊接(reflow)工艺使聚合物熔化。
[0191]
膜的底侧上的光学元件
[0192]
如图21中所示，也可以在膜22的面向腔5的底侧上设置光学结构75。与上述相同的技术可以用于创建光学结构。为此，可以使晶片翻转使得腔朝向顶部敞开，并且可以通过压印和uv固化或通过从上方光刻来创建光学结构。腔的侧壁充当聚合物或光致抗蚀剂的原生流动停止。在替选的工艺中，不使晶片翻转，并且通过如下工艺从下方创建光学结构，在该工艺中利用光学聚合物填充印模并将晶片从上面向下推到印模上。
[0193]
膜中的doe(图22)
[0194]
图22示出了直接在cmos膜内部、即在由cmos层堆叠24的各层形成的膜内部创建光学结构76的实施方式。这可以通过使用cmos工艺制造光学结构76或通过施加到cmos膜的顶部或底部的后续晶片级工艺来实现。以这种方式，可以进一步减小制造公差，并且还可以降低成本。传感器上方的流动甚至将更加分层，进一步减少了污垢在光学元件上的积聚。再次，这样的设计在腔的第一端处是原生流体密封的。
[0195]
如果膜已经以这种方式被结构化，则膜材料可以被认为已经转变成超材料，即如下材料：已经被结构化成具有在已经被结构化之前在材料中没有发现的属性。
[0196]
使用cmos工艺制造doe的方法被公开于以下出版物中：dai，ching-liang&chen，hunglin&lee，chi-yuan&chang，pei-zen，“fabrication of diffractive optical elements using the cmos process(使用cmos工艺制造衍射光学元件)”，journal of micromechanics and microengineering，12(1)：22(2001)，doi：10.1088/0960-1317/12/1/304。
[0197]
另一可能的制造方法如下：可以在晶片上通过压印光致抗蚀剂或通过光刻来创建光学结构。随后，可以应用蚀刻工艺，这在将光致抗蚀剂的光学结构转移到膜地貌中的同时去除光致抗蚀剂。这可以从膜的任一侧中完成。
[0198]
在这些实施方式中，用于监测光源1的光功率的杂散光可以直接通过膜的cmos层到达辅助检测器25。因此，不透明涂层可以被安全地涂覆到腔5的侧壁26。
[0199]
2k模制透镜(图23)
[0200]
图23示出了其中光学元件是2k模制透镜77的实施方式。2k模制透镜包括注塑模制的透镜框架，其中，通过将透镜材料分配到复制模具中并且uv固化来复制透镜本身。
[0201]
而图17至图23的实施方式示出有间隔件61，该间隔件也可以被省去。如结合图15所说明的，不透明层可以被涂覆至腔侧壁以减少光电探测器处的杂散光。
[0202]
腔的侧壁的形状(图24至图26)
[0203]
图24至图26示出了腔侧壁26的可能形状的一些示例。在图24中，侧壁26朝向底部倾斜，即腔5的横向尺寸朝向底部增大。如果不透明涂层要被涂覆至腔侧壁26，则这样的实施方式是特别有利的。在图25中，侧壁朝向顶部倾斜。在图26中，侧壁具有朝向顶部倾斜的顶部部分和以凸出形状朝向底部打开的底部部分。如本领域中公知的，可以通过适当的蚀刻方法容易地创建不同的形状。
[0204]
在所有这些实施方式中，腔5具有垂直于光电探测器平面的对称轴。例如，在具有正方形横截面的腔的情况下，腔可以具有关于对称轴的四重旋转对称性。在具有圆形横截面的腔的情况下，腔可以是圆柱对称的。优选地，对称轴与光轴20重合。
[0205]
光电探测器的划分(图27)
[0206]
图27示出了其中光电探测器中的一些被不透明层例如由喷墨印刷创建的黑色层覆盖的实施方式，不透明层屏蔽这些光电探测器免受检测体积中pm散射的光的影响，而其他光电探测器在不被屏蔽的情况下面向检测体积。非屏蔽的光电探测器形成第一分区81，而被屏蔽的光电探测器形成第二分区82。控制单元可以既从屏蔽的光电探测器又从非屏蔽的光电探测器接收信号，并且应用差分处理来抵消由电磁干扰引起的信号。传感器模块(图28和图29)
[0207]
图28示出了完整的pm传感器模块90的实施方式。传感器模块90包括根据上述实施方式中的任何一个的pm传感器91。pm传感器91被容纳在壳体92中，壳体92限定流动通道97。加热器93在流动通道97中创建了对流流动98。pm传感器发射光束7进入流动通道97。在本实施方式中，光束7的方向垂直于对流流动98的方向。光束被镜94转向到束收集器95中。
[0208]
在本示例中，光束7是具有焦点21的聚焦束。焦点被布置在流动通道97内部。由此检测体积位于流动通道97的内部。
[0209]
图29示出了完整的pm传感器模块的另一实施方式。在该实施方式中，不存在加热器。反而，流动98由风扇99创建。
[0210]
附图标记列表
[0211]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
光源
[0212]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
光学元件
[0213]
3、3a、3b
ꢀꢀꢀ
光电探测器
[0214]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
半导体芯片
[0215]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
腔
[0216]6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
基础基板
[0217]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
光束
[0218]8ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
检测体积
[0219]
9、9'
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
pm颗粒
[0220]
10、10'
ꢀꢀꢀꢀꢀ
散射光脉冲
[0221]
11
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
散射颗粒高度
[0222]
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
常规光学透镜
[0223]
13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
膜上的衍射光学元件(doe)
[0224]
14
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
光电探测器距光轴的距离
[0225]
15
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
玻璃基板上的聚合物透镜
[0226]
16
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
支承件
[0227]
17
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
光学元件，例如玻璃窗
[0228]
18
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
金属化部
[0229]
19
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
光屏障
[0230]
20
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
光轴
[0231]
21
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
焦点
[0232]
22
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
膜
[0233]
23
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
玻璃基板
[0234]
24
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
cmos层堆叠
[0235]
25
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
辅助检测器/光电二极管
[0236]
26
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
腔的壁
[0237]
27
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
控制单元
[0238]
28
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
光学滤波器
[0239]
29
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
铬涂层
[0240]
30
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
孔径
[0241]
31
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
引线接合
[0242]
32
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
外壳
[0243]
41
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
非对称延伸部
[0244]
51
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
金属化部
[0245]
52
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
喷墨涂层
[0246]
53
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
喷墨流动停止
[0247]
60
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
基板
[0248]
61
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
间隔件
[0249]
71
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
直接在膜上的晶片级聚合物压印透镜
[0250]
72
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
直接在膜上的晶片级聚合物压印菲涅尔透镜
[0251]
73
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
直接在膜上的晶片级聚合物压印图案
[0252]
74
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
直接在膜上的晶片级液滴微透镜
[0253]
75
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
在膜的底侧上的晶片级聚合物压印图案
[0254]
76
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
膜内部的衍射光学元件(doe)
[0255]
77
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
2k模制透镜
[0256]
81
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一分区
[0257]
82
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二分区
[0258]
90
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
pm传感器模块
[0259]
91
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
pm传感器
[0260]
92
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
pcb
[0261]
93
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
加热器
[0262]
94
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
镜
[0263]
95
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
束收集器
[0264]
96
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
壳体
[0265]
97
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
流动通道
[0266]
98
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
流动
[0267]
99
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
风扇