具有高测量准确度的红外光传感器芯片与用于制造红外光传感器芯片的方法

摘要

一种红外光传感器芯片包括：衬底(2)；红外光传感器(9)，其具有基极电极(10)，所述基极电极与所述衬底(2)的一侧(8)直接接触且所述红外光传感器(9)借助于所述基极电极附接到所述衬底(2)；以及电阻温度计(13)，其具有电阻路径(14)，所述电阻路径邻近于所述红外光传感器(9)与所述衬底(2)的所述侧(8)直接接触且经配置以借助于所述电阻温度计(13)测量所述衬底(2)的温度；其中所述电阻路径(14)由所述基极电极(10)的材料制成。

说明书

技术领域

本发明涉及具有高测量准确度的红外光传感器芯片与用于制造红外光传感 器芯片的方法。

背景技术

为了检测气体，已知的是使用处于3到5μm的波长范围中的红外光。用光 源照射待检测的气体，所述光源适合于发射此波长范围中的红外光。在此情况 下，红外光的一部分由气体吸收，使得残余光保留。可用红外光传感器测量残 余光，借助所述红外光传感器可检测残余光的波长范围和/或强度且可相应地转 换为电信号。基于电信号，合适的分析允许用户得到关于所检测气体的类型和 含量的结论。

红外光检测器芯片通常具有带焦热电敏感材料的层，所述材料例如为锆钛 酸铅(PZT)。所述层通常应用于正常地由硅制成的支撑薄膜。此外，所述层电 子连接到电极，所述电极例如由吸收红外光辐射的铂或镍铬合金制成。

红外光传感器芯片例如用于可用于测量气体浓度的非色散红外光吸收分析 器(NDIR)中。基于气体浓度测量的红外光传感器芯片的输出信号高度取决于 红外光传感器芯片在测量期间具有的温度，使得非色散红外吸收分析器的测量 准确度取决于红外光传感器芯片的温度的确切知识。

红外光传感器芯片具有外壳，其中囊封了带焦热电敏感层的支撑薄膜和电 极以用于防止有害环境影响的保护。为了得到关于在测量期间红外光传感器芯 片的温度的结论，非色散红外吸收分析器另外具备温度传感器，借助于所述温 度传感器，红外光传感器芯片的周围区域的温度当前可测量。因为出于空间相 关原因将红外光传感器芯片的外壳设计得尽可能小，因此温度传感器布置在外 壳之外。如果温度传感器附接到外壳，那么用温度传感器测量外壳的温度。作 为替代，将温度传感器布置成紧密接近外壳，使得用温度传感器测量外壳的周 围温度。特定来说，如果周围温度随着时间改变，那么由温度传感器测得的温 度不与焦热电敏感层的温度相关的情形大体上出现，使得结果是红外光传感器 芯片的测量不准确度。

发明内容

本发明的目的是提供一种红外光传感器芯片和以红外光传感器芯片具有高 测量准确度的方式制造红外光传感器芯片的方法。

此目的是借助于专利技术方案1和12的特征来实现。在额外专利技术方案 中揭示所述特征的优选实施例。

根据本发明的红外光传感器芯片包括：衬底；红外光传感器，其具有基极 电极，所述基极电极与所述衬底的一侧直接接触且所述红外光传感器借助于所 述基极电极附接到所述衬底；以及电阻温度计，其具有电阻路径，所述电阻路 径邻近于所述红外光传感器与所述衬底的所述侧直接接触且经配置以借助于所 述电阻温度计测量所述衬底的温度；其中所述电阻路径由所述基极电极的材料 制成。用于制造红外光传感器芯片的发明性方法包括步骤：提供所述衬底；用 所述基极电极材料在所述侧上涂覆所述衬底，使得所述侧由所述基极电极材料 的层覆盖；移除所述基极电极材料层的过量材料，使得所述基极电极和所述电 阻路径形成于所述衬底的所述侧上；完成所述红外光传感器。

所述红外光传感器芯片通常囊封在外壳中，以便保护红外光传感器芯片免 于潜在有害的环境影响。合意的是将外壳设计得尽可能小，使得红外光传感器 芯片的空间要求较低。由于用于常规红外光传感器芯片的常规温度传感器不会 配合到所述外壳中，因此常规温度传感器布置在外壳之外。相比之下，根据本 发明的红外光传感器芯片包括电阻温度计，所述电阻温度计以其电阻路径直接 安装在衬底的邻近于红外光传感器的表面上，使得电阻温度计布置在外壳内， 所述外壳是为红外光传感器芯片提供且可有利地制作为较小的。另外，可以电 阻温度计直接检测衬底的温度，因此可准确地测量红外光传感器的温度。红外 光传感器的当前温度的确切知识实现以红外光传感器的准确测量校准，使得通 过使用电阻温度计使红外光传感器的准确校准成为可能，因此红外光传感器芯 片具有高测量准确度。

由于电阻路径是由基极电极的材料制成，因此存在的优点是对于电阻温度 计的电阻路径和基极电极的制造来说仅单个制造步骤是必要的。净结果是实现 红外光传感器芯片的简单且具成本效益的制造。此外，在用于电阻路径和基极 电极的此制造步骤中，电阻路径可直接邻近于基极电极且与其相距短距离而放 置，使得一方面，红外光传感器芯片的空间要求有利地较低，且另一方面，通 过电阻路径可测量的温度与红外光传感器的当前温度较好地相关。

优选地，基极电极的材料为铂。电阻路径和基极电极优选具有相同厚度。 在此情况下，电阻路径和基极电极的厚度必须垂直于衬底的其上安装电阻路径 和基极电极的侧的上部表面而取得。此外，电阻路径优选以蜿蜒形状配置。在 用于红外光传感器芯片的正常边界条件下，基极电极的宽度通常对于电阻路径 的所需长度来说太小，尤其是如果基极电极和电阻路径的材料为铂，且基极电 极和电阻路径假设具有相同厚度。因为电阻路径优选以蜿蜒形状设计，所以电 阻路径的长度必须经选择为匹配，同时不产生超过基极电极的宽度的空间要求。

电阻温度计在电阻路径的每一纵向末端处具有电阻电极，以便电子地分接 电阻路径的当前电阻。电阻温度计可借助于电阻电极操作，例如用惠斯通测量 桥操作。

此外，优选所述衬底包括框架和由所述框架界定的薄膜，其中所述红外光 传感器以其基极电极安置于所述薄膜上，且所述电阻温度计以其电阻路径安置 于所述框架上。在此情况下，所述框架优选在所述电阻温度计安置的位置处比 在其它位置处更宽地配置。结果是电阻温度计有利地安置于已经为固持薄膜的 目的而提供的衬底的框架上。此特征消除了为电阻温度计提供额外支撑的需要， 因此红外光传感器芯片具有紧凑设计。优选地，所述框架仅在所述电阻温度计 安置的侧上比在其它位置处更宽地设计，使得为电阻路径的优选蜿蜒过程提供 足够空间。

红外光传感器优选包括传感器元件，其安置于基极电极上且导电连接到所 述基极电极。传感器元件的材料优选为锆钛酸铅。另外，优选地所述红外光传 感器芯片是以薄膜工艺制造。所述电阻路径优选具有40nm到100nm的厚度和 /或5μm到10μm的宽度和/或在室温下1kΩ的电阻。

在红外光传感器芯片的制造期间，优选将所述基极电极的材料气相沉积在 所述衬底上以用于涂覆衬底的目的。为了制造传感器元件，优选以所述传感器 元件的材料涂覆所述基极电极层。同时优选的是为了涂覆所述基极电极层，用 溅镀工艺将所述传感器元件材料施加于所述基极电极层。

用根据本发明的红外光传感器芯片得到的优点是可直接在传感器元件处测 量温度，因此红外光传感器芯片的校准且因此测量准确度较高。在常规传感器 芯片中，温度传感器例如布置在外壳之外，因此将温度传感器设计为离散组件。 由于在根据本发明的红外光传感器芯片中电阻温度计以其电阻路径直接安置于 衬底上的事实，将电阻温度计设计为集成在红外光传感器芯片中的组件。结果 是不需要如常规红外光传感器芯片那样为根据本发明的红外光传感器芯片提供 例如用于温度传感器的额外组件，使得本发明的红外光传感器芯片的制造努力 和因此制造成本以及总体大小与常规红外光传感器芯片相比较低。

在常规红外光传感器芯片中，离散温度传感器经常安装在印刷电路板的底 侧上。同时，此温度传感器通常是底侧上的单个唯一组件。因此，在例如在回 流炉中的组装过程期间，必须热保护温度传感器。对于此保护来说必要的措施 是复杂的且与额外制造成本相关联。有利的是在本发明的红外光传感器芯片的 制造期间此些措施不是必要的。此外，电阻温度计的集成过程与用于制造焦热 电红外光传感器的过程兼容，且因此可直接在晶片级实施，使得净结果是用于 制造红外光传感器芯片的发明性方法的成本优点。

附图说明

下文参考所附的示意图阐释根据本发明的红外光传感器芯片的优选示范性 实施例。图式展示：

图1是根据本发明的红外光传感器芯片的示意性表示的平面图；以及

图2是图1的截面A-A的表示。

参考标号列表

1   红外光传感器芯片

2   衬底

3   框架

4   窄框架区段

5   宽框架区段

6   薄膜

7   薄膜凹口

8   衬底的上部侧

9   红外光传感器

10  基极电极

11  传感器元件

12  头部电极

13  电阻温度计

14  电阻路径

15  第一电阻电极

16  第二电阻电极

具体实施方式

如从图1和2可见，红外光传感器芯片1包括由框架3形成的衬底2。框架 3具有矩形平面形状，其中框架3的一侧由窄框架区段4形成，且框架3的另外 三侧由宽框架区段5形成。框架3界定薄膜6，其安置于框架3的上部侧8。框 架3优选由硅制成，且薄膜6优选由氧化硅和/或氮化硅制成。在此情况下，薄 膜凹口7以用薄膜6形成框架3的方式从具有氧化硅和/或氮化硅涂层的硅晶片 移除。

框架3和薄膜6在衬底的上部表面8上形成平面表面。在此情况下，红外 光传感器9安置于薄膜6的中间。红外光传感器9和薄膜6以如下方式在其平 面图中定尺寸：红外光传感器9在平面图中布置于框架3内且因此完全由薄膜6 围绕。

红外光传感器9包括直接安装在衬底的上部侧8上的基极电极10。安装在 基极电极10上的是传感器元件11，其由锆钛酸铅制成。在平面图中，传感器元 件11尺寸稍微小于基极电极10，使得基极电极10在衬底的上部侧8上从传感 器元件11稍微突出。在平面图中与传感器元件11全等的头部电极12安置于传 感器元件11上。传感器元件11导电连接到基极电极10和头部电极12，使得通 过红外光传感器9的红外光辐射产生的电荷传送可分接。

在衬底的上部侧8上，电阻温度计13以集成方式安装在边缘的宽区段5上。 电阻温度计13包括电阻路径14，其在沿着框架的宽区段5的蜿蜒图案中延伸且 平行于基极电极10的面对侧。电阻电极15、16安装在电阻路径14的每一纵向 端上。

基极电极10和电阻路径14由铂制成且具有相同厚度。电阻路径14的长度 以电阻温度计13具有1kΩ的电阻的方式定尺寸。电路路径14的厚度在400nm 与100nm之间，且其宽度在5μm到10μm之间。电阻路径14直接邻近于上面 安置传感器元件11的基极电极10且与其相距短距离而布置。从传感器元件11 到电路路径14的热路径借助于基极电极10、薄膜6以及框架的宽区段5从传感 器元件11延伸到电阻路径14。热传导路径经形成为较短以使得在红外光传感器 芯片的正常操作期间电阻路径14的温度仅可忽略地不同于传感器元件11的温 度。如果例如通过将惠斯通测量桥应用于电阻电极15、16来测量电阻路径14 的电阻，那么其又允许用户得到关于传感器元件11的当前温度的准确结论。

在红外光传感器芯片的正常操作期间，对于校准目的重要的是尽可能精确 地知道传感器元件11的当前温度。由于传感器元件11的当前温度可用根据本 发明提供于衬底2上的电阻温度计13非常准确地确定的事实，红外光传感器芯 片1的测量准确度较高。

为了制造红外光传感器芯片，必须提供包括框架3和薄膜6的衬底2。薄膜 6和框架3与衬底的上部侧8齐平形成。为了制造基极电极10和电路路径14， 衬底2必须在衬底的上部侧8上用铂涂覆，使得衬底的上部侧8覆盖有铂，因 此在衬底的上部侧8上形成铂层。铂层是用气相沉积工艺制造于上部侧8上。

锆钛酸铅层将通过溅镀工艺施加于铂层，且在此层上，又将施加额外的铂 层以便形成头部电极12。通过蚀刻移除衬底2上的过量材料，使得电阻路径14 和基极电极10由直接安置于衬底2上的第一铂层形成。因此，电阻路径14和 基极电极10在一个工艺步骤中是在第一铂层的气相沉积期间和在过量材料的移 除期间产生，因此用于制造红外光传感器芯片1的方法是简单且具成本效益的。 此外，传感器元件11是由锆钛酸铅层形成，且头部电极12是由安置于锆钛酸 铅层上的第二铂层形成。