[发明专利]用于测量温度和检测气体的热电堆红外单个传感器

说明书

本发明涉及一种外壳中的热电堆红外单个传感器，该外壳填充有气体介质并具有光学单元并具有单个的传感器单元的一个或多个传感器芯片，该传感器单元具有带网状膜的红外传感器结构，在每种情况下，其红外敏感区域由至少一个载体主体中的空腔上的梁所跨越，具有良好的热传导性。本发明的目标包括使用用于非接触温度测量的单片硅微机械技术赋予热电堆红外传感器特性，在足够大接收表面的情况下，其输出具有高响应速度的大信号，并且其可以在正常压力或减小的压力下的气体介质中运行，并且其可以在不需要用于密封外壳的复杂技术的情况下进行批量生成。在每种情况下，这通过将分别具体一个红外敏感区域的多个单个相邻传感器单元(18)组合到热电堆结构(14、15)来获得，所述热电堆结构(14、15)位于单独的热电堆传感器结构的单个芯片的公共载体主体(1)上的膜(12)上，所述单独的热电堆传感器结构在外壳中有信号输出，由基板(3)密封的盖子(12)组成，具有公共气体介质(10)。

本发明涉及一种外壳中以单片硅微机械技术测量温度或检测气体的热电堆单个传感器，该外壳填充有气体介质并具有光学单元以及一个或多个传感器芯片，该传感器芯片具有单个的传感器单元，该传感器单元具有具备网状膜的红外传感器结构，其红外敏感区域各自由至少一个在载体主体中的空腔上的梁所跨越，具有良好的热传导性。

以硅微机械技术产生的热电堆红外传感器存在于极其不同的实施例中。例如，DE10144343A1中描述的热电堆传感器芯片，其具有垂直或近乎垂直的壁，并具有尽可能大的膜作为红外接收区域，以最大化在膜上的红外敏感区域所接收的信号。该膜跨越硅载体主体中的凹槽，该硅载体主体也形成为散热片。

DE 10321639A1中提出了进一步的解决方案，其中提供了热电堆元件，其热端位于膜上而其冷端位于硅载体主体上。

这些实施例具有均质薄膜携带多个热电偶的特性(例如热电堆元件)，并且传感器芯片封装在具有大气压和通常干燥空气或干燥的氮气的外壳中。为了获得热电堆传感器元件中尽可能大的信号电压，其热电偶必须尽可能长地形成，因为在热电偶的热端和冷端之间的热传导会减少，从而达到更大的温差。

因此，在较小的芯片区域无法达到足够高的信号电压用于多种应用，并且测量任务中的信噪比或检测极限无法满足需求。如果这样的芯片用于检测气体，例如仅敏感的传感器区域已经选择得相当大了，例如1x1mm，或更大。随后传感器芯片本身也显著变大，这对用户是不利的。

不利的是，每单位面积获得的信号电压对许多应用来说是不够的，较大的面积也具有较高的时间常数(热惯性)，并且从而这导致反应时间过慢。从而通过具有许多热电偶的均匀的非结构化膜，在低反应时间下不能实现所需的信号电压。

在WO 9102229 A1中提出了单个热电堆传感器，其中，在单独的自由浮动的膜布置在芯片体的凹槽上，该膜通过尽可能长的梁连接到散热片上(即，芯片体的边缘)。由于用于制造芯片体中的凹槽的蚀刻方法，产生划分凹槽的倾斜壁。在这个传感器中，由于膜上更好的吸收体区域，可以在更小的面积上获得更大的信号。然而，包围吸收体区域的“正常大气”(即空气，氮气)的热传导性阻止传感器获得足够高的信号。而且，导致相对敏感区域极大的并因此使整个芯片非常昂贵的倾斜壁是不利的。

此外，在DE 102010042108 A1中提出了单片硅微机械中的热电堆红外传感器，其通过传感器芯片膜可以在非常小的面积上获得非常高的信号电压，该传感器芯片膜设置有槽和接收红外辐射的内部区域，悬浮在薄网状物的吸收体区域上，一些热电偶通过其从硅边缘(“冷”触点)引导到吸收体区域(“热”触点)。为了提高内部吸收体区域的绝缘性，传感器元件包围在具有明显小于空气的较低热传导性介质的外壳中。

在这个方式中，非常小的膜(吸收体区域)可以获得非常高的信号电平。如果把吸收区域的大小增加到0.5x0.5mm...1x1mm的区域(通常至少对所谓的NDIR气体传感器是必须的)，但是，随后变得越来越缓慢的吸收体区域造成较长的时间常数，即传感器芯片散热片和传感器的响应速度将在许多应用中大大变缓。