專利名稱：用于光聲氣體傳感器的集成紅外光源和聲檢測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光-聲(photo-acoustic)氣體檢測(cè)器。更具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及包括紅外光源和聲檢測(cè)器的集成封裝的這種檢測(cè)器。
背景技術(shù)：
近幾年，光-聲氣體傳感器已經(jīng)作為用于多個(gè)氣體感測(cè)應(yīng)用的可行技術(shù)出現(xiàn)，其包括室內(nèi)空氣品質(zhì)和按需控制通風(fēng)中的C02監(jiān)測(cè)，制冷劑和氨監(jiān)測(cè)，易燃?xì)怏w檢測(cè)，以及其它。光聲技術(shù)在許多方面與氣體檢測(cè)的非分光紅外(NDIR)和其它光譜手段相似。所有的這些技術(shù)都利用氣體樣品對(duì)紅外輻射的選擇性吸收來(lái)確定樣品的濃度或組成。光聲感測(cè)技術(shù)并不依賴于直接測(cè)量通過(guò)氣體樣品的紅外輻射量，卻取而代之檢測(cè)當(dāng)氣體吸收輸入的紅外輻射時(shí)所導(dǎo)致的氣體樣品的膨脹。如果以聲頻來(lái)對(duì)輸入的輻射進(jìn)行正弦調(diào)制，則采用低成本的檢測(cè)裝置如MEMS擴(kuò)音器將所導(dǎo)致的氣體膨脹能夠檢測(cè)為聲波形。一般地，實(shí)際的光聲氣體傳感器比傳統(tǒng)NWR氣體傳感器相比以更小的氣體感測(cè)室來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗鼈兏僖蕾囉诟袦y(cè)室內(nèi)的光程長(zhǎng)度以實(shí)現(xiàn)有用的檢測(cè)靈敏度。這一區(qū)別允許采用微電子和MEMS制造技術(shù)在緊湊的集成封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)微型氣體傳感器成為可能。這在減少傳感器封裝尺寸以及制造要求的同時(shí)改進(jìn)傳感器性能，可靠性和成本方面是令人滿意的。在現(xiàn)有技術(shù)中光聲氣體感測(cè)的功能原理是公知的。該傳感器所要求的功能元件包括紅外光源、光學(xué)波長(zhǎng)選擇濾波器、氣體感測(cè)空間(檢測(cè)室)、氣體滲透膜或者允許氣體自由擴(kuò)散至檢測(cè)室但是在氣體膨脹時(shí)限制流出檢測(cè)室的總體流量的閥、測(cè)量擴(kuò)音器或其它合適的壓力換能器，和用以調(diào)制紅外光源以及獲得和處理光聲信號(hào)并且將所得到的測(cè)量結(jié)果輸出的控制和信號(hào)處理裝置。光聲傳感器還可能包括用于補(bǔ)償或者消除環(huán)境噪聲和壓力變化對(duì)傳感器的影響的結(jié)構(gòu)。這可以通過(guò)采用單獨(dú)的參考感測(cè)空間和參考擴(kuò)音器來(lái)從所感興趣的氣體獲得基本上沒(méi)有聲光分量的背景噪聲信號(hào)來(lái)完成。從氣體感測(cè)空間中所檢測(cè)的信號(hào)中減去這一背景信號(hào)以產(chǎn)生基本上不受背景噪聲影響的光聲信號(hào)，從而提高傳感器準(zhǔn)確性。圖1示出了已知傳感器組件的結(jié)構(gòu)來(lái)演示光聲氣體檢測(cè)的功能原理。為了清楚起見(jiàn)，省略了對(duì)描述該通常功能原理不關(guān)鍵的傳感器物理設(shè)計(jì)的某些方面。在該聲光氣體傳感器1內(nèi)，借助于反射器外殼3將紅外光源2發(fā)出的調(diào)制紅外光通過(guò)波長(zhǎng)選擇帶通紅外濾波器4引入氣體感測(cè)空間5中，該空間由測(cè)量單元主體6和紅外濾波器4限定。來(lái)自環(huán)境大氣7的氣體容易地通過(guò)測(cè)量單元主體中的氣體滲透膜8和孔9擴(kuò)散， 由此進(jìn)入氣體感測(cè)空間5。調(diào)制紅外輻射的一部分被在感測(cè)空間內(nèi)待檢測(cè)的目標(biāo)氣體所吸收，從而引起借助于擴(kuò)音器10檢測(cè)的調(diào)制聲壓力波，該擴(kuò)音器10通過(guò)測(cè)量單元主體中的開(kāi)口 11與測(cè)量單元空間通信地耦合。通過(guò)合適選擇紅外光源、濾波器和擴(kuò)音器特性，聲壓力波的大小將與感興趣的目標(biāo)氣體的濃度直接相關(guān)。在這一示例中，擴(kuò)音器和白熾燈紅外光源的組件被部署在共享印刷電路板12上，該電路板12也可以包括關(guān)聯(lián)的燈調(diào)制和處理電子電路(為清楚起見(jiàn)沒(méi)有
3示出)。


圖1示出了光聲氣體傳感器的功能原理；和圖2A，2B示出了根據(jù)本發(fā)明的聲光氣體傳感器的第一實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式盡管本發(fā)明的實(shí)施方式能夠采用多個(gè)不同形式，但是在附圖中示出其特定實(shí)施方式并且在此對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)描述，應(yīng)該理解的是本公開(kāi)認(rèn)為是本發(fā)明原理的一個(gè)范例，同時(shí)也是最佳的實(shí)施方式，并不是旨在將本發(fā)明限制到特定的實(shí)施方式。本發(fā)明的實(shí)施方式將核心光聲傳感器的功能元件集成在適合大量生產(chǎn)的單一的， 集成MEMS設(shè)備上。這些實(shí)施方式提供了由MEMS技術(shù)帶來(lái)的堅(jiān)固和低成本的優(yōu)點(diǎn)。在本發(fā)明的一個(gè)方面中，集成的紅外光源、固定波長(zhǎng)紅外濾波器和MEMS擴(kuò)音器能夠集成在單一組件封裝內(nèi)并且適用于氣體測(cè)量單元。圖2A和2B描述了其中將圖1中描述的多個(gè)功能元件合并在可以通過(guò)MEMS和微電子封裝技術(shù)制備的集成組件中的本發(fā)明的實(shí)施方式。圖2A是本發(fā)明的部分剖面透視圖， 以及圖2B是圖2A中所示的截面A-A平面的本發(fā)明的橫截面?zhèn)纫晥D。在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施方式中，注射成型塑料測(cè)量單元主體20與集成紅外光源及擴(kuò)音器組件主體，或者以通常用來(lái)封裝晶體管和其它電子組件的密封金屬罐組件封裝的形式封裝的封裝21接合。這一類型的電子組件封裝通常稱為“晶體管罐封裝或者TO罐”并且通常符合在由JEDEC和電子工業(yè)協(xié)會(huì)出版的電子工業(yè)規(guī)范所描述的尺寸。這些封裝可用于大量標(biāo)準(zhǔn)尺寸并且相互連接管腳配置來(lái)適應(yīng)特殊應(yīng)用的需要。標(biāo)準(zhǔn)封裝尺寸例如JEDEC T039或T08罐是能用于本發(fā)明的優(yōu)選封裝尺寸的典型例子。測(cè)量單元主體20的內(nèi)表面鍍有紅外光反射材料(例如，但不限于鍍金)以最大化引導(dǎo)到測(cè)量單元空間22內(nèi)的氣體的紅外光能量，測(cè)量單元空間22是由測(cè)量單元主體20和集成組件封裝 21連接在一起形成的。氣體滲透膜23通過(guò)粘合劑或者其它合適的方式接合到測(cè)量單元主體20的外表面 20a。測(cè)量單元主體中的多個(gè)孔M位于氣體滲透膜23的下部，并且為來(lái)自環(huán)境大氣的氣體擴(kuò)散進(jìn)入以及流出測(cè)量單元空間22提供流動(dòng)路徑。集成組件包括平面紅外光源25、波長(zhǎng)選擇濾波器26和MEMS型擴(kuò)音器27。所述紅外濾波器覆蓋所述組件封裝21中的開(kāi)口 28，開(kāi)口觀提供窗口，通過(guò)該窗口使選定波長(zhǎng)的紅外能量輻射進(jìn)入測(cè)量單元空間22。在集成組件封裝21內(nèi)的內(nèi)部隔板結(jié)構(gòu)四阻止來(lái)自紅外光源的輻射直接耦合到共享TO罐封裝21內(nèi)的MEMS擴(kuò)音器。該隔板還在組件組裝期間，為包含在真空下密封的紅外光源的集成組件的一部分做準(zhǔn)備。在氣體測(cè)量空間內(nèi)產(chǎn)生的聲光信號(hào)通過(guò)集成組件封裝頂表面中的開(kāi)口 30與MEMS 擴(kuò)音器通信地耦合。紅外光源和MEMS擴(kuò)音器通過(guò)使用通常在微電子和半導(dǎo)體封裝中使用的類型的多條接合線32與集成組件的外部引線31相連接。處理電路36同樣可以包括在集成組件封裝21內(nèi)，用于獲取和處理來(lái)自擴(kuò)音器27 的信號(hào)。可以理解的是，所述電路36可以形成在所述封裝21中的半導(dǎo)體襯底上。所述襯底可以是支持?jǐn)U音器27的相同襯底，或它可以是不同的。在本發(fā)明的一方面中，紅外光源和檢測(cè)元件兩者的制造形成在單一的集成元件中并且合并到光-聲氣體檢測(cè)器。信號(hào)處理電子電路也可以實(shí)現(xiàn)在相同管芯(die)上或者是在同一 TO罐封裝內(nèi)，導(dǎo)致光-聲氣體檢測(cè)器的所有有效組件的單一芯片或單一組件解決方案。這一集成期望相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)提供可靠性和性能改進(jìn)以及制造和成本效率。通過(guò)以上描述，可以觀察到，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以實(shí)現(xiàn)大量的變化和更改。應(yīng)當(dāng)理解的是，并不旨在關(guān)于在此闡明的特定實(shí)施方式進(jìn)行限制或者也不應(yīng)該推斷關(guān)于在此闡明的特定實(shí)施方式進(jìn)行限制。當(dāng)然，旨在通過(guò)所附權(quán)利要求覆蓋落入本權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有這些修改。
權(quán)利要求
1.一種光聲氣體傳感器組件，包括 承載在半導(dǎo)體襯底上的紅外光源；形成在所述相同襯底或第二半導(dǎo)體襯底上的集成擴(kuò)音器，以及承載在第三襯底上的紅外波長(zhǎng)選擇帶通濾波器。
2.如權(quán)利要求1所述的光聲氣體傳感器組件，其包括將所述光源、擴(kuò)音器和紅外濾波器收容在一起的集成組件封裝。
3.如權(quán)利要求2所述的光聲氣體傳感器組件，其另外包括形成在所述集成組件封裝內(nèi)的半導(dǎo)體襯底上的信號(hào)獲取和信號(hào)處理電路。
4.如權(quán)利要求1所述的光聲氣體傳感器組件，其中所述擴(kuò)音器被實(shí)現(xiàn)為MEMS型換能
5.如權(quán)利要求2所述的光聲氣體傳感器組件，其中所述組件外殼的封裝符合金屬罐晶體管外形封裝或者其它工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體器件封裝格式的要求。
6.如權(quán)利要求3所述的光聲氣體傳感器組件，其中所述組件外殼的封裝符合金屬罐晶體管外形封裝或者其它工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體器件封裝格式的要求。
7.如權(quán)利要求2所述的光聲氣體傳感器組件，其中所述紅外光源基本上是平面的。
8.如權(quán)利要求3所述的光聲氣體傳感器組件，其中所述紅外光源基本上是平面的。
9.如權(quán)利要求2所述的光聲氣體傳感器組件，其中所述紅外光源包括薄膜導(dǎo)體。
10.如權(quán)利要求3所述的光聲氣體傳感器組件，其中所述紅外光源包括薄膜導(dǎo)體。
11.如權(quán)利要求2所述的光聲氣體傳感器組件，其中所述紅外光源包括燈絲導(dǎo)體。
12.如權(quán)利要求3所述的光聲氣體傳感器組件，其中所述紅外光源包括燈絲導(dǎo)體。
13.如權(quán)利要求2所述的光聲氣體傳感器組件，其中所述紅外光源包括紅外發(fā)光二極管。
14.如權(quán)利要求3所述的光聲氣體傳感器組件，其中所述紅外光源包括紅外發(fā)光二極管。
15.如權(quán)利要求2所述的光聲氣體傳感器組件，其中所述波長(zhǎng)選擇帶通濾波器選自包括至少介電型或二向色型紅外濾波器的一類濾波器。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于光聲氣體傳感器的集成紅外光源和聲檢測(cè)器。光聲氣體檢測(cè)器包括集成光源、紅外濾波器和聲傳感器。所述光源、濾波器和聲傳感器能集成在一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體襯底上，如硅。處理電路同樣也能集成在該襯底上。另外，光源、濾波器和聲傳感器能集成在單一組件封裝內(nèi)，例如金屬罐晶體管封裝。
文檔編號(hào)G01N21/17GK102279156SQ20111018443
公開(kāi)日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月3日
發(fā)明者W·索爾森 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司