光声气体传感器装置

技术领域

本发明涉及一种光声气体传感器装置，该光声气体传感器装置被配置为确定指示气体中的成分(特别是CO

背景技术

光声气体传感器依赖于物理效应，例如红外辐射被气体中的感兴趣的成分(例如CO

辐射发射器、压力换能器和用于控制发射的辐射的控制器可以布置在发生光声反应的同一容积中，即光声测量单元的测量容积中。这对于气体传感器装置的小占地面积而言是有利的。然而，例如控制器在切换电流以调制来自辐射源的辐射的发射时，以与电磁辐射源发射调制的辐射相同的频率加热和冷却。这样的脉冲加热又放大了测量单元中的压力变化，并且因此通过添加偏移伪造了压力换能器提供的信号。

因此，本发明的目的是提供一种光声气体传感器装置，该光声气体传感器装置的测量信号不易受到由气体传感器装置的控制器和/或其他电气组件引发的声音和/或温度变化的影响。

发明内容

所述目的通过根据权利要求1所述的光声气体传感器装置来实现。

所述光声气体传感器装置(也缩写为PA气体传感器装置)允许确定指示气体中的化学成分的存在或浓度的值。所述PA气体传感器装置包括基板和布置在所述基板的第一侧上的测量单元主体。这包括将所述测量单元主体直接安装在所述基板上以及将所述测量单元主体安装在所述基板与所述测量单元主体之间的任何中间组件上，视情况而定，只要所述测量单元主体被布置在所述基板的所述第一侧而不是其相对侧上。所述基板和/或任何中间组件以及所述测量单元主体限定测量单元。帽在所述测量单元内布置在所述基板的所述第一侧上。所述帽和所述基板限定所述帽容积。在一个实施例中，在所述帽例如借助于竖直壁、借助于凹形内部或借助于所述帽中的任何另一空腔限定内部空间的情况下，所述帽本身极大地或甚至完全地促成所述帽容积。在不同的实施例中，所述基板借助于其中的凹槽显著地或者甚至完全地促成所述帽容积，所述凹槽由平面帽覆盖。在另一实施例中，所述帽和所述基板两者借助于所述基板中的部分地促成所述帽容积的凹槽并且借助于所述帽中的部分地促成所述帽容积的空腔而促成所述帽容积。

所述测量单元、所述基板和所述帽，例如其外表面的部分或全部，依次限定在其中发生光声转换的测量容积。所述测量单元包括孔口，用于使所述气体进入所述测量容积。

所述帽容积是以声学方式密封的，使得所述测量容积中的所述光声转换不会受到所述帽容积中驻留的电气组件的影响。也就是说，所述帽容积中的声谱中的压力变化被禁止或至少被减少传播至所述测量容积中。声学密封特性可以包括：所述帽、所述基板以及其间的任何潜在机械接口被设计和/或被配置为不让压力变化从所述帽容积传递至所述测量容积中。

电气组件布置在所述基板的所述第一侧上和所述测量单元中。这并不排除在所述基板延伸超出其由所述测量单元主体覆盖的区域的情况下，附加的电子组件可以在所述测量单元外部布置在所述基板上。优选地，所述电气组件通过所述基板上或中的导体迹线互连。布置在所述测量单元中的所述电气组件至少包括：电磁辐射源(也缩写为EM辐射源)，用于将电磁辐射发射至所述测量容积中，压力换能器，用于测量响应于存在于所述测量容积中的所述化学成分对所述电磁辐射的吸收由所述化学成分生成的声波；以及控制器，被配置为控制所述电磁辐射源。所述压力换能器布置在所述帽容积外部，而除所述压力换能器之外的所述电气组件中的至少一个电气组件布置在所述帽容积中。

所述PA气体传感器装置依赖于光声效应：感兴趣的化学成分的分子，例如周围环境气体(例如周围环境空气)中的CO

除所述EM辐射源和所述压力换能器之外，所述PA气体传感器装置还包括其他电气组件，包括被配置为控制所述EM辐射源的控制器。所述控制器与所述其他电气组件布置在所述基板的同一侧上，即布置在所述基板的第一侧上和所述测量单元中。所述控制器被配置为控制所述电磁辐射的强度来以所述调制频率进行调制。所述调制频率介于1Hz和100kHz之间，优选地介于10Hz与200Hz之间，更优选地介于20Hz与60Hz之间，例如为40Hz。优选地，所述EM辐射源的加热器根据所述调制频率进行切换。

在非常优选的实施例中，除控制所述EM辐射源之外，所述控制器被配置为处理由所述压力换能器提供的电信号并且根据此电信号确定指示所述化学成分的存在或浓度的值。在这方面，所述控制器优选地执行信号处理，诸如滤波和/或线性化和/或补偿和/或A/D转换。具体地，所述值是根据所述电信号的幅度(例如，在声波的情况下的响度)来确定的。优选地，所述测量信号围绕所述调制频率被带通滤波。这增加了确定的鲁棒性，因为没有考虑具有其他频率的声波。

除所述压力换能器之外的所述电气组件中的至少一个电气组件布置在所述帽容积中。优选地，布置在所述帽容积中的所述一个或多个电气组件在布置在所述测量容积而不是所述帽容积中时可以影响所述光声转换。这样的电气组件可以包括对其周围环境的压力变化和/或热量变化负责的组件；和/或具有非反射表面的对由所述EM辐射源发射的所述电磁辐射的反射率产生不利影响的组件；和/或需要由所述帽提供增强机械保护的组件；和/或需要专门接触所述光声气体传感器的所述周围环境的组件。

考虑到调制所述EM辐射源是通过所述控制器中的调制或开关电流来实现的，因此所述控制器是以与所述EM辐射源发射所述脉冲辐射相同的频率加热和冷却的。这会影响所述测量单元中的大气，并且引起与在所述控制器布置在所述测量容积中的情况下由所述化学成分与所述调制的EM辐射相互作用引起的所述压力变化具有相同频率的压力变化。

为了避免将这样的控制器引发的偏移添加至所述压力信号中——添加偏移的影响也被称为串扰情况，所述控制器优选地借助于所述帽与所述测量容积分离。因此，通过引入所述帽，所述本发明PA气体传感器装置的测量容积现在由所述测量单元主体、所述基板和所述帽限定，并且特别地与可以被保留用于具有对所述光声转换产生不利影响的电气组件的所述帽容积分离。

在非常优选的实施例中，所述控制器被实现为集成电路，并且具体地被实现为专用集成电路(ASIC)。这有助于将所述PA气体传感器装置小型化。然而，表示所述控制器的所述集成电路甚至可以实施为芯片级封装的裸管芯，这甚至可以进一步减少所述PA气体传感器装置的所述占地面积。另一方面，控制器的这样的实施例可能需要附加的机械保护，所述机械保护然后由所述帽提供。

优选地布置在所述帽容积中的电气组件可以包括晶体管，特别是功率晶体管，和/或包括这样的晶体管的组件。这样的组件可以是电压控制器。因此，优选地，一个或多个晶体管和/或具有一个或多个晶体管的组件布置在所述帽容积中。

对于诸如电容器、电阻器或线圈等无源电气组件来说也是如此，它们在施加开关电流的情况下可以通过压力变化影响周围环境。因此，优选地将这样的一个或多个无源组件布置在所述帽容积中。

在所述帽容积中布置在所述帽之下的电气组件可以包括具有超过9mm

所述帽被安装至所述基板的所述第一侧上，并且优选地建立所述帽容积相对于所述测量容积的声屏障和/或声密封，和/或热屏障和/或热密封。因此，所述帽导致没有或仅有可忽略的压力变化从所述帽容积传播至所述测量容积中。因此，优选地，所述帽包括所述基板和其安装至所述基板上限制或避免所述帽容积与所述测量容积之间的气体交换，并且因此限制或避免介质的转移。

此外，由电气组件的操作引起的热变化也可能产生不利影响。然而，考虑到从所述帽之下的所述电气组件发射的热量由所述帽和其中的所述介质容积隔离在其中，因此所述帽同时限制或避免了热变化从所述帽容积至所述测量容积中的过渡。在所述帽容积被抽空的情况下，源自所述帽容积对所述测量容积的热影响甚至可以更小。

所述帽优选地由防止通过其进行这样的气体交换的材料制成。这还包括所述帽不含孔或其他开口，从而允许所述帽容积与所述测量容积之间进行气体交换。这还包括将所述帽以密封方式安装至所述基板上，优选地借助于粘合剂或焊料。例如，所述帽由气密材料制成。

因此，可以防止串扰，特别是热串扰和/或声串扰从所述控制器进入所述测量容积并且最终到达所述压力换能器。没有偏移或可忽略的控制器引发的偏移被添加至由所述压力换能器提供的所述压力信号中。

所述帽可以包括或可以由导电材料制成。这样的材料选择可以提供附加的效果，因为所述帽容积中的电气组件(诸如控制器)可以由所述帽EM屏蔽。考虑到所述控制器优选地被实施为对电磁辐射的影响敏感的集成电路，并且另一方面，所述EM辐射源发射也可能对所述集成电路有害的EM辐射，因此在此情况下，特别是在所述EM辐射源在所述基板上布置在所述帽外部(即所述帽容积外部)的情况下，所述帽还可以保护所述控制器。

所述测量单元中的PA效应依赖于限定所述所发射的EM辐射的所述测量容积的所有表面的良好反射率。虽然所述测量单元主体的所述内表面和所述基板的所述第一侧是这样的表面，但所述帽的所述(外)表面，即所述帽的面向且限定所述测量容积的表面，对于所述PA气体传感器装置中的整体反射率也是关键的。因此，优选地，所述帽的面向所述测量容积的表面具有大于70％、优选地大于80％、更优选地大于90％的反射率。结合所述测量单元主体的示出大于70％、优选地大于80％、更优选地大于90％的反射率的所述内表面，并且可能在面向所述测量单元的所述基板表面和/或电气组件上具有反射涂层的情况下，可以提高限定所述测量容积的表面的整体反射率。

具体地，所述帽由金属制成。在不同实施例中，所述帽由在其面向所述测量容积的外部表面上涂覆有金属的塑料制成。在此实施例中，可以同时实现反射率和电磁屏蔽。对于所述测量单元主体优选地选择相同的材料。如果所述测量单元主体由塑料制成，则其内表面可以涂覆有金属，从而形成反射涂层。这样的涂层可以例如由金、铝、镍、铜中的一个制成。金还特别方便地用于镀覆基板，例如PCB，因为它在PCB的形成期间无论如何都被用作导体的表面的腐蚀保护。在另一实施例中，所述测量单元主体由金属片制成，例如通过深拉。金属片具有即使在低厚度下也具有机械稳定性的优点，并且即使没有任何其他涂层也表现出对电磁辐射的高反射率。优选地，所述测量单元主体与所述基板以气密方式连接，例如通过胶合或焊接。有利地，所述测量单元是隔声的。

所有这些措施都有助于延长所述测量容积内的所述EM辐射的平均光程长度。以此方式，所述测量容积内的平均光路长度可以增加至≥1cm，优选地≥3cm，更优选地≥5cm。这进而有利于所述测量单元变小，例如所述测量单元的尺寸小于2×2×2cm

因此，所述本发明PA气体传感器装置占地面积较小，但不会以牺牲信号性能为代价。

优选地，所述基板包括被布置为将所述帽容积连接至所述光声气体传感器装置的周围环境的排气孔。因此，在所述基板的由所述帽覆盖的区域中，提供了从所述基板的所述第一侧至其第二侧(即从所述基板的正面至其背侧)的贯穿通道，以允许所述帽容积与所述周围环境之间的气体交换。这样的排气孔可以是优选的，以便允许实现压力平衡，例如在加热所述帽容积之后，例如在制造或组装过程期间。这样的排气孔的直径优选地介于100μm与300μm之间。为了保护所述帽容积免受颗粒或液体的影响，可以设置覆盖所述排气孔的排气孔膜，所述排气孔膜不可渗透液体但可渗透气体。优选地，所述排气孔膜例如在其第一侧或在其第二侧(即面向所述周围环境的背侧)附接至所述基板。此布置在制造方面是有利的。在制造所述测量单元之后，可以在最后的步骤中将所述排气孔膜附接至所述基板。在不同的实施例中，在将所述测量单元主体附接至所述基板之前，在所述基板的制备期间附接所述排气孔膜。

在优选实施例中，所述电气组件包括用于感测环境参数的另一传感器。考虑到所述压力换能器也表示传感器，因此，此传感器被称为“另一传感器”。所述另一传感器可以被配置为感测所述气体中的湿度和/或压力和/或化学成分中的一者或多者。因此，所述另一传感器可以被实施为压力传感器、大气压力传感器、另一压力换能器、另一气体传感器(例如金属氧化物类型或电化学类型)中的一者或多者。

在一个实施例中，由所述另一传感器提供的所述电信号在所述PA气体传感器装置的输出处提供，例如用于提供关于所述测量场景的附加信息。在不同的实施例中，所述另一传感器的信号用于改进由所述压力换能器提供的所述信号，例如通过补偿所述测量的环境变量对所述测量容积中的所述气体浓度的影响。因此可以减少或消除周围环境条件对测量的影响。这样的补偿使得所得的浓度值更加准确且更加可靠，或者换句话说，所述气体传感器装置可以应用在变化的环境条件下。

出于这两个目的，所述另一传感器可以在所述测量单元中布置在所述帽容积内部或所述帽容积外部。当布置在所述帽容积内部时，并且在所述基板中存在排气孔的情况下，周围环境气体可以进入所述帽容积，并且所述周围环境的期望变量可以由所述另一传感器感测。在这样的情况下，所述排气孔膜可以表现出与覆盖所述测量单元主体中的所述孔口的膜不同的特性，例如在扩散、选择性等方面，稍后将更详细地介绍。当布置在所述帽容积外部时，周围环境气体可以通过所述孔口进入所述测量容积并且可以在其中感测所述周围环境的所述期望变量。

在本发明的一个实施例中，所述EM辐射源布置在所述帽容积中。在此实施例中，帽包括光学窗口，所述光学窗口被布置和配置为使得由所述EM辐射源发射的所述辐射能够进入所述测量容积和/或在由所述EM辐射源发射的所述辐射进入所述测量容积之前对其进行带通滤波。

在不同的实施例中，当所述EM辐射源布置在所述帽容积外部并且被配置为发射紫外辐射时，优选地，所述帽由对所述紫外辐射不透明的材料制成，以保护所述帽容积中的所述控制器免受所述紫外辐射影响。

虽然通常应用的EM辐射可以是从无线电到紫外的光谱中的任何辐射，但优选地使用的所述EM辐射是红外辐射。这意味着所述EM辐射源是用于发射红外辐射的红外辐射源。红外辐射优选地被定义为具有介于700nm与1mm之间的范围内的波长的辐射。在此实施例中，所述压力换能器被配置为测量响应于所述组件对所述红外辐射的吸收由所述组件生成的声波。在另一实施例中，所述电磁辐射源是用于发射波长介于100nm与700nm之间的范围内的辐射的源。

优选地，由所述EM源发射的所述EM辐射仅在与所述感兴趣的化学成分的吸收峰匹配的带中发射。带被认为是所述EM光谱的子范围，优选地围绕所述吸收峰对称，最大/最小带限制为所述吸收峰值的+/–15％。在红外辐射的情况下，有利地选择对应带以匹配所述感兴趣的化学成分的所述吸收峰。在实施例中，所述光声气体传感器装置用作CO

所述EM辐射源可以是宽带辐射源，所述宽带辐射源被定义为发射宽光谱的辐射，诸如跨越所述整个红外光谱或例如介于0.8μm与10μm之间。这样的宽带源可以是具有加热器的传统红外发射器。所述宽带源优选地由带通滤波器覆盖，例如介电滤波器、或特异材料滤波器、或CMOS吸收层，使得仅具有所述带的红外辐射被发射至所述测量容积中。在另一实施例中，使用可能包括超表面谐振器的窄带EM辐射源，诸如激光器或LED。

所述压力换能器驻留在所述测量容积中和/或与所述测量容积以声学方式耦合，以便在存在期望被检测的所述化学成分的情况下响应于PA耦合来检测其中发生的压力变化。在实施例中，所述压力换能器可以是尤其仅对围绕所述调制频率的特定范围的频率敏感的通用压力换能器，或者是麦克风。所述压力换能器可以是底部端口麦克风，底部端口面向所述基板。

在实施例中，所述基板是例如由FR4制成或提供更高机械稳定性的陶瓷材料制成的印刷电路板(PCB)。至少所述压力换能器、所述电磁辐射源、所述控制器以及所述测量单元主体和所述帽安装在所述基板的共用侧(即所述第一侧)上。优选地，所有电子组件安装在所述基板的所述第一侧上。优选地，所有电子组件表面安装在所述基板的所述第一侧上，使得所述光声气体传感器装置是表面安装装置(SMD)。优选地，所述基板的第二侧(即与所述第一侧相对)仅包括用于将所述光声气体传感器装置电连接至载体的接触件。在实施例中，所述接触件包括被布置用于SMD组装和/或回流焊接的焊盘栅格阵列(LGA)焊盘。这有利于客户将所述装置与其他组件组装。其他接触件选择可以包括DFN、QFN或堞形孔。

在一个实施例中，所述帽可以具有平面形状。然后，所述帽容积基本上由所述基板中的凹槽(即，从所述基板的所述第一侧延伸的凹槽)限定。因此，所述基板相比于其常规厚度在其凹陷部分中薄化。然后，所述基板的这样的凹陷部分被所述平面帽覆盖。在此实施例中，优选地，所述基板被实施为包括传导路径的印刷电路板(PCB)或陶瓷电路板。所述PCB优选地是多层PCB，所述多层PCB包括由所述PCB的不同水平制成的多个结构化金属化层的传导路径。这样的PCB可以被蚀刻或研磨或以其他方式处理，优选地从其第一侧/正面进行处理，从而去除材料并且在所述基板中产生所述凹槽。这样的处理还可以包括在将这些层彼此层压之前例如通过切割或成形来预先构造所述PCB的单独层。然而，所述基板未被处理成在所述凹陷部分中产生贯穿孔。相反，所述基板在其凹陷部分中保持薄化。换句话说，即使在所述凹槽的区域中，所述基板也是连续的基板。

在此实施例中，除所述压力换能器之外的所述至少一个电气组件布置在所述基板的所述凹陷部分中。所述平面帽封闭所述基板中的所述凹槽并且构建/限定隔声的隔室，并且因此与所述基板的所述凹陷部分一起构建/限定帽容积。

具体地，考虑到所述平面帽的表面面向所述测量单元并且期望具有反射特性，因此所述平面帽由金属制成。在另一实施例中，所述帽，并且优选地所述帽的面向所述测量容积的至少一侧，涂覆有反射涂层，诸如金。

优选地，至少所述控制器在所述的凹陷部分中布置在所述基板中。如果仅所述控制器和/或不需要进入测量容积的任何组件布置在所述帽容积中，则所述平面帽可以是期望的、可能不透明的材料的连续片并且完全覆盖和/或密封所述基板中的所述凹槽。然而，在所述电磁辐射源布置在所述基板的所述凹陷部分中的情况下，所述帽优选地包括由透明材料覆盖的开口，以防所述帽对于由所述电磁辐射源发射的所述电磁辐射不透明。这样的开口优选地由对所述电磁辐射透明的滤光片覆盖，以便使得在所述帽容积中生成的所述电磁辐射能够穿过所述滤光片进入所述测量容积中。所述滤光片优选地密封至所述帽。

在不同的实施例中，所述帽由硅制成。同样，如果仅所述控制器和/或不需要进入测量容积的任何组件布置在所述帽容积中，则所述平面帽可以是期望的、不透明的材料的连续片并且完全覆盖和/或密封所述基板中的所述凹槽，甚至可以是不透明的或涂覆有不透明材料。然而，在所述电磁辐射源布置在所述基板的所述凹陷部分中的情况下，硅帽对于在所述帽容积中生成的所述电磁辐射是可渗透的，或者包括开口，或者包括透明部分。优选地，对所述电磁辐射透明并且优选地仅对具有特定波长的所述电磁辐射透明的滤光片被施加至所述帽，或者作为与所述硅帽分离的元件，或者作为例如通过PECVD沉积在所述帽硅上的光学涂层以层的形式被施加至所述帽的一侧或两侧，即面向所述测量单元或面向所述基板或面向两者的侧。在不同的实施例中，所述滤光片集成至所述帽中并且因此可以表示所述帽的一部分。这样的部分可以具有与所述帽的其他部分不同的光学特性。在替代方案中，所述整个帽可以由具有期望光学特性的材料制成，然而，考虑到所述帽的其他部分可能例如通过这样的部分上的光学不透明涂层以光学方式受影响，因此所述帽的仅一部分被制备成允许所述电磁辐射通过。

所述凹槽实现薄化的基板，所述基板的上表面表示所述基板的所述第一侧。在所述基板具有沿着竖直轴线的厚度和沿着x轴和y轴的平面延伸的情况下，上表面(也被称为第一水平表面)驻留在所述竖直轴线的第一水平上。所述第一水平表面低于所述基板的常规表面水平。所述第一水平表面可以是在上面放置一个或多个电气组件的平面表面。在一个实施例中，这可能意味着第一水平表面暴露接触焊盘以电接触一个或多个电气组件。这样的接触焊盘可以由所述PCB中的所述金属化层中的一个形成，使得所述第一水平表面可以处于稍微超过所述PCB中的所述金属化层的水平的水平。因此，所述PCB可以被研磨或蚀刻或以其他方式处理至这样的第一水平以生成使得电气组件能够容易地电接触的凹槽。

在另一实施例中，所述凹槽被成形为使得生成沿着所述竖直轴线的两个不同水平上的表面，其中，所述第二水平表面低于所述第一水平表面。具体地，所述第二水平表面布置在第一水平表面之间，使得所述基板的所述第一侧呈现以下剖面：常规水平、阶梯下降至所述第一水平、阶梯下降至所述第二水平、阶梯上升至所述第一水平、阶梯上升至常规水平。因此，需要背侧容积的组件可以布置第一水平表面上，从而桥接第二水平表面。这样的电气组件优选地是电磁辐射源。在不同的情况下，组件可以布置在所述第二水平表面上，这些组件显示出从所述帽来看阻止它们布置在所述第一水平表面上的厚度。

在具有所述基板的凹陷部分的实施例中，要布置在所述帽容积外部的其他组件在一个实施例中可以放置在所述基板的非凹陷部分上，即在所述基板的常规水平上。然而，在不同的实施例中，另一凹槽可以在所述基板的所述第一侧处设置在所述基板中，从而生成用于在其上面放置或SMD安装这样的组件的第三水平表面。这样的另一凹槽优选地由盖覆盖。所述基板的所述另一凹陷部分和所述盖形成另一帽容积。所述另一帽容积不与所述帽容积连接。在所述盖是反射性的和/或所述盖至少在所述面向测量容积的一侧上涂覆有反射涂层的情况下，与提供具有反射表面的组件相比，所述测量容积中的反射率被增强和促进。所述另一凹陷部分中的所述第三表面的水平可以与所述凹陷部分中的所述第一表面的水平相同，但不是必须如此。优选地，所述压力换能器在所述基板的另一凹陷部分中布置在所述基板上。然而，其他组件可以布置在所述基板的所述另一凹陷部分中。

最优选地，用于所述另一凹槽的所述盖由用于所述凹槽的所述帽表示。因此，所述帽可以是细长的并且还覆盖所述另一凹槽。这样的盖的材料参考所述帽的材料。优选地，在一种情况下，所述盖也涂覆有反射涂层，所述反射涂层面向所述测量容积。优选地，所述涂层可以是所述帽和所述盖上的连续涂层。

在所述压力换能器布置在所述另一凹陷部分中的情况下，优选地，所述盖包括用于将所述测量容积与所述帽下面的所述容积以声学方式耦合的开口，所述容积也被称为另一帽容积。所述开口被尺寸设定为使得所述测量容积与所述另一帽容积之间的所述声学耦合允许所述压力换能器检测到在所述测量容积中生成的声波。

在另一实施例中，所述另一凹槽被成形为使得生成沿着所述竖直轴线的两个不同水平上的表面，其中，第四水平表面低于所述第三水平表面。具体地，所述第四水平表面布置在第三水平表面之间，使得所述基板的所述第一侧在所述另一凹陷部分中呈现如下剖面：常规水平、阶梯下降至所述第三水平、阶梯下降至所述第四水平、阶梯上升至所述第三水平、阶梯上升至常规水平。需要背侧容积的组件优选地布置在桥接所述第四水平表面的所述第三水平表面上。这样的电气组件优选地是压力换能器。在不同的情况下，一个或多个组件可以布置在所述第四水平表面上，这些组件显示出从所述帽来看阻止它们布置在所述第三水平表面上的厚度。优选地，所述第三水平等于所述第一水平。优选地，水平第四水平等于所述第二水平。

在所述帽的不同实施例中，提供帽结构，所述帽结构包含用于形成所述帽的第一空腔和用于形成另一帽的另一空腔。所述第一空腔部分地或完全地促成所述帽容积。所述第二空腔接合所述基板部分地或完全地促成另一帽容积。所述帽容积和所述另一帽容积借助于所述帽结构(例如借助于位于所述基板上的所述帽结构的底座)彼此分离。虽然除所述压力换能器之外的一个或多个电气组件放置在所述帽容积中，但所述压力换能器现在放置在所述另一帽容积中。所述帽结构优选地示出朝向所述测量容积的开口，以用于将所述测量容积以声学方式耦合至所述压力换能器。

在这样的实施例中，所述电气组件可以全部驻留在所述基板的所述第一侧上。然而，与具有单个帽的其他实施例相比，要布置在所述帽外部的其他电子组件，诸如所述压力换能器，也借助于所述另一帽来覆盖。优选地，两个帽都由共用帽结构制成，所述共用帽结构可以实施为硅晶圆或实施为具有形成所述两个帽的两个空腔的印刷电路板(PCB)。在硅晶圆的情况下，可以应用诸如蚀刻等已知工艺来产生所述空腔。在PCB的情况下，诸如公开的用于在所述PCB基板中产生所述一个或多个凹槽的工艺可以应用于产生所述空腔。结果，即使所述其他电气组件也不直接面向所述测量容积，而是布置在借助于所述帽结构中的所述一个或多个开口与所述测量容积耦合的所述另一帽容积中。同样，优选地，所述帽结构的至少面向所述测量容积的表面是反射性的或涂覆有反射涂层。

然而，所述基板还可以包括凹槽以提供位于比所述基板的所述常规水平表面更低的水平处的第一水平表面。这样的凹槽可以用作例如所述电磁辐射源的后容积。所述基板的由所述另一帽覆盖的部分还可以包括另一凹槽以提供位于比所述基板的所述常规水平表面更低的水平处的第三水平表面。这样的另一凹槽可以用作例如所述压力换能器的后容积。

优选地，通过粘合中的一种(特别是在所述帽结构是硅晶圆的情况下)或者通过粘合或焊接(在所述帽结构由PCB制成的情况下)将所述帽结构附接至基板，其中，所述空腔面向所述基板。在所述帽结构在x方向/y方向上具有与所述基板相同或相似的占地面积(+/–10％)的情况下，所述测量单元主体优选地附接至所述帽结构。因此，所述帽结构充当所述基板与所述测量单元主体之间的中间元件。在另一实施例中，所述帽结构可以比所述基板具有更小的占地面积。此外，所述测量单元主体可以附接至所述帽结构，同时所述基板示出既不由所述测量单元主体覆盖也不由用于在其上实现电路的所述帽结构覆盖的部分。

优选地，所述测量单元中的所述孔口允许所述测量容积与所述测量单元的所述周围环境之间的气体交换。所述孔口可设置在所述测量单元主体中或所述基板中。在实施例中，所述透气膜覆盖所述孔口。所述膜是可渗透的，用于所述测量容积与所述测量单元的所述周围环境之间的气体交换。所述透气膜可以特别地由以下材料中的一者或多者制成：烧结金属、陶瓷、聚合物。所述膜还有利地充当所述测量容积与所述测量单元的所述周围环境之间的解耦元件。因此，所述膜优选地抑制气体分子穿过膜的移动，使得来自所述周围环境的压力变化(例如声波)在传播至所述测量容积中时被抑制，并且所述测量容积内部的压力变化很大程度上被保留在内部。

在所述基板和/或形成两个帽的所述帽结构中存在诸如如上所述的所述另一凹槽的情况下，即在紧邻所述帽容积实现的所述另一帽容积的情况下，所述孔口优选地被实现为所述基板中的终止于所述另一帽容积的贯穿孔。在其一个实施例中，为所述压力换能器的所述声学耦合而设置的所述盖或帽结构中的开口也可能足以经由所述另一帽容积在所述周围环境与所述测量容积之间进行期望的气体交换。在不同的实施例中，可以在所述盖或帽结构中布置另一开口，用于所述周围环境与所述测量容积之间进行气体交换，所述另一开口被布置成比布置成更靠近所述压力换能器的第一开口更靠近所述基板中的所述孔口。因此，鉴于所述盖或帽结构中的所述(第一)开口的位置相比于靠近所述基板中的所述贯穿孔更靠近所述压力换能器，所述(第一)开口可以主要专用于所述声学耦合。所述盖或帽结构中的所述另一(第二)开口可以主要专用于气体交换，因为其位置相比于靠近所述压力换能器更靠近所述基板中的所述孔口。

在任何情况下，可以提供覆盖所述孔口的膜，所述膜优选地布置在所述基板的所述第一侧上。

在这样的情况下，考虑到所述孔口终止于所述另一帽容积中，因此如上所述的另一传感器也可布置在所述另一帽容积中。因此，这样的另一传感器可以鉴于其经由所述孔口接触所述周围环境而感测所述周围环境的一个或多个参数。

然而，在另一实施例中，结合所述基板和/或实现所述第二帽容积的所述盖或帽结构中的所述另一凹槽，可以提供与所述其他帽容积分离的另一帽容积。所述孔口终止于所述另一帽容积中。因此，所述周围环境与所述测量容积之间的气体交换受到所述另一帽容积的影响，从而不影响所述另一帽容积中的所述压力换能器的测量。并且/或者，气体在所述周围环境与所述测量容积之间交换的路径可以比经由所述另一帽容积更短。

在所述平面帽/盖的情况下，所述另一帽容积优选地由所述基板中的另一凹槽构建，所述另一凹槽通过所述基板的达到其常规厚度水平的一部分而与其他凹槽分离。用于所述另一凹槽的盖可以具体地由细长帽表示，同时表示用于所述另一凹槽的盖。在所述帽结构的情况下，所述另一帽容积优选地由所述帽结构中的另一空腔构建，所述另一空腔通过底座与所述其他空腔分离，以在安装之后位于所述基板上。

在这样的实施例中，所述盖/帽/帽结构包括另一开口，以便将所述另一帽容积与所述测量容积21连接并且允许与所述周围环境进行气体交换。在这样的实施例中，所述膜可以在所述基板中布置在所述孔口上，但可以替代地布置在所述覆盖另一开口的所述帽/盖/帽结构上，或例如通过蚀刻集成至所述盖/帽/帽结构中。

综上所述，如果所述基板提供用于所述周围环境与所述测量容积之间的气体交换的孔口，则三种情况是优选的：1)所述孔口直接终止于所述测量容积中。2)所述孔口终止于所述另一帽容积中，使得所述气体穿过所述盖或帽结构中的开口经由所述另一帽容积到达所述测量容积。3)所述孔口终止于所述另一帽容积中，使得所述气体穿过所述盖或帽结构中的开口经由所述另一帽容积从所述周围环境到达所述测量容积。

由于其尺寸/占地面积小，所述PA气体传感器装置可以用于许多不同的应用领域：这些应用领域可以包括但不限于用于测量空气质量的台式或便携式装置、壁挂式恒温器、风道中的探头等。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于制造光声气体传感器装置的方法，所述光声气体传感器装置用于确定指示气体中的化学成分的存在或浓度的值。提供基板，所述基板优选地包括用于电互连电气组件的导体迹线。所述电气组件优选地以SMD工艺安装在所述基板的第一侧上。所述电气组件至少包括：电磁辐射源，用于发射电磁辐射，压力换能器，用于测量响应于所述化学成分对电磁辐射的吸收由所述化学成分生成的声波；以及控制器，被配置为控制所述电磁辐射源。帽安装在所述基板的所述第一侧上。所述帽和所述基板以声学方式密封帽容积。所述帽封闭除所述压力换能器之外的所述电气组件中的至少一个。

测量单元主体安装在所述基板的所述第一侧上，从而封闭所述帽和布置在所述帽外部的电气组件，从而与所述基板一起限定测量单元。所述测量单元主体和所述基板形成测量单元。所述测量单元主体、所述基板和所述帽限定测量容积，所述电磁辐射被发射至所述测量容积中。所述测量单元包括孔口，用于使所述气体进入所述测量容积。

在一个实施例中，在将所述电气组件安装在所述基板的所述第一侧上之前，在所述基板中产生凹槽，例如通过上面公开的工艺中的一个。然后，在施加所述帽之前，在所述基板的凹陷部分中以及在所述凹陷部分的外部将所述电气组件安装在所述基板的所述第一侧上。

在所述PA气体传感器装置的正在进行的组装期间，已安装的帽还可以机械地保护下面的任何电气组件，特别是免受机械冲击、灰尘和/或液体、用于随后将组件安装至所述基板的粘合剂和/或焊料的影响。

优选地，将所述帽安装至所述基板包括胶合或焊接中的一种。具体地，焊接是优选的，最优选地使用熔点高于用于耐高温的常用焊接合金的熔点的焊料合金，以便允许客户将所述PA气体传感器装置焊接至例如指定的系统PCB中。在这样的情况下，建议使用熔点超过焊料的熔点(特别是预期用于将所述PA气体传感器装置焊接至系统PCB上的焊料的熔点)的胶水/粘合剂。然后，客户可以自由地使用任何附接技术，而不必冒所述帽从所述基板分离的风险。这可以同样适用于安装所述测量单元主体，即借助于粘合剂(并且优选地优选具有上述熔化特性的粘合剂)将所述测量单元主体粘附至所述基板。在将所述帽和所述测量单元主体两者粘附至所述基板的情况下，两种粘合剂可以在同一步骤中(即同时)退火。

光检测器的其他有利实施例在从属权利要求以及下面的描述中列出。

附图说明

本发明的实施例、方面和优点将从下面的详细描述中变得显而易见。详细描述参考附图，其中，附图示出：

图1是根据本发明的实施例的光声气体传感器装置的剖视图，

图2是根据本发明的实施例的光声气体传感器装置的俯视剖视图，

图3至图8各自是根据本发明的实施例的光声气体传感器装置的剖视图。

具体实施方式

所有附图中的相同元件由相同附图标记表示。

图1示出了根据本发明的实施例的光声(PA)气体传感器装置的剖视图。PA气体传感器装置包括基板1(例如印刷电路板(PCB))和测量单元主体2，它们一起形成封闭测量容积21的测量单元。测量单元具有孔口23以允许测量容积21与PA气体传感器装置的周围环境之间进行气体交换。在图1中，孔口23位于测量单元主体2中。孔口23优选地由膜22覆盖，该膜是可渗透气体的以允许气体交换，使得气体中的感兴趣的化学成分的浓度与周围环境中的浓度相似。

基板1具有第一侧11和第二侧12。测量单元主体2以及下面描述的电气组件布置在第一侧11上。在基板的与第一侧11相对的第二侧12上，设置焊盘13，例如焊盘栅格阵列(LGA)焊盘，以便客户进行SMD组装和回流焊接。其他接触件，诸如DFN、QFN焊盘或堞形孔，也是可能的。

布置在基板1的第一侧11上的电气组件包括压力换能器3和电磁辐射源4(在此示例中是红外源)。两个电气组件均位于测量容积21内部。

红外源发射由附图标记41指示的红外辐射。在将红外源发射的辐射的波长/带调整为要检测的气体分子的情况下，红外辐射41由驻留在测量容积21中的感兴趣的化学成分的分子选择性地吸收。红外源可以是宽带红外发射器，例如在整个红外光谱上发射辐射，并且覆盖有光学带通滤波器。光学带通滤波器仅允许根据感兴趣的气体成分设置的带的辐射通过。对于CO

压力换能器3可以是MEMS麦克风或任何其他压力换能器。压力换能器的灵敏度不一定限于声频带，而是可以被配置为测量高达100kHz的频率。一个或多个其他电气组件可以布置在基板1的第一侧11上并且统称为5。

另外，具有空腔74的帽7在测量单元内布置在基板1的第一侧11上。帽7将测量容积21与由基板1和帽7限定的覆盖容积71界定。控制器8布置在帽容积71中，即控制器8由帽7封闭。压力换能器3、电磁辐射源4、控制器8和其他组件5(如果有的话)经由基板1中或上的电导体迹线电连接。

在非常优选的实施例中，控制器8被实现为ASIC。在一个实施例中，控制器8可以接收并且处理来自压力换能器3和一个或多个其他传感器(如果可用)的信号。控制器8控制EM辐射源4，并且可以将例如由来自压力换能器3的处理过的或至少预处理过的信号表示的PA气体传感器装置信号提供给外部。由于这些原因，基板1优选地包括通孔(未示出)用于将例如设置在基板1的第一侧11上的导体迹线连接至基板1的第二侧12上的上述焊盘13。优选地，基板1包括多层导电迹线，诸如FR4-PCB。

因此，控制器8被配置为例如通过以调制频率对红外辐射施加强度调制来控制EM辐射源4。调制频率可以介于可听频谱内，例如介于20Hz与20kHz之间，或者可以高达100kHz，或者甚至可以低至5Hz。控制器8还被配置用于从压力换能器3接收测量值以及根据这些测量值确定化学成分浓度的值，例如通过使用将测量值与化学成分的浓度值关联的预定义的或可重置的校准功能。化学成分浓度的值可以经由数字接口(例如I2C接口)输出。当确定化学成分浓度的值时，控制器8还可以考虑一种或多种其他测量值(如果可用)，例如温度值和/或湿度值，并且执行如上所述的补偿。对于作为相关气体成分的CO

基板1优选地在其覆盖的区域内包括从其第一侧11至其第二侧12的贯穿通道，该贯穿通道用作排气孔6，用于允许例如过压或欠压与周围环境的压力一致和/或允许帽容积71中的气体逸出和/或允许周围环境的气体进入帽容积71。

图2示出了根据本发明的实施例的PA气体传感器装置的俯视剖视图。在此实施例中，基板1具有方形底座区域，测量单元主体2安装至该方形底座区域上。在测量单元主体2内，电气组件布置在例如四个象限状部分中。压力换能器3与EM辐射源4布置在相对的象限中。其他组件5和控制器8布置在剩余的两个相对的象限中。控制器8被帽7覆盖。所得帽容积71借助于排气孔6连接至PA传感器装置的周围环境。

图3示出了根据本发明的实施例的PA气体传感器装置的剖视图。在此实施例中，EM辐射源4、压力换能器3和电容器51布置在基板1的面向由基板1限定的测量容积21的第一侧11上，并且测量单元主体1布置在基板1的同一第一侧11上。被实施为ASIC的控制器8布置在基板1的同一第一侧11上，但是由帽7覆盖。排气孔6穿过基板1设置，用于平衡帽容积71中的压力。在基板1的第二侧12上，排气孔6由排气孔膜14覆盖，从而允许来自或进入帽容积71的气体通过。

另外，设置有利地是以下各项中的一者或多者的另一传感器9：温度传感器、湿度传感器、组合的温度/湿度传感器、压力传感器(特别是大气压力传感器)、另一压力换能器、另一气体传感器(例如属于金属氧化物类型或电化学类型)。通过温度和/或湿度的测量值，可以例如出于温度和/或湿度的影响补偿气体浓度值。在存在另一传感器9的情况下，帽容积71中的控制器8优选地被配置为针对由另一传感器9测量的变量的影响并且因此取决于其他传感器9的测量值来补偿指示化学成分的存在或浓度的值。因此可以减少或消除周围环境条件对化学成分测量的影响。

图4示出了根据本发明的另一实施例的PA气体传感器装置的剖视图。与图3所示的实施例相比，不仅控制器8被覆盖在测量单元内，而且一个或多个其他电气组件(诸如所示的电容器51)也被覆盖在测量单元内，电磁辐射源4也是如此。后者需要帽7中的光学窗口72。光学窗口72使得由EM辐射源4发射的辐射能够进入测量容积21并且与感兴趣的气体分子相互作用。在此实施例中，压力换能器3保持在帽容积71外部布置在测量容积21中。因此，压力换能器3能够检测由气体分子与所发射的辐射的反应引发的压力变化。

在此实施例中，同样设置了另一传感器9。在此示例中，另一传感器9是湿度传感器。湿度传感器可以将其表示在测量单元内部测量的湿度的信号提供给控制器8，该控制器可以用于出于湿度引发的变化补偿压力换能器信号。目前，考虑到不存在排气孔，因此帽容积71不与外界连接。然而，在不同的实施例中，出于上述原因，确实可以设置排气孔。

图5示出了根据本发明的另一实施例的PA气体传感器装置的剖视图。与图4所示的实施例相比，另一传感器9——同样是湿度传感器——现在被布置在帽7之下，即在帽容积71内。因此，由压力换能器3提供的信号可以再次通过湿度变化得以补偿。在本实施例中，提供排气孔6和排气孔膜14以允许帽容积71排气。在此实施例中，压力换能器3是未布置在覆盖容积71中的组件之一或者甚至是唯一组件。这样的方法改进了，即增加了测量容积21内的辐射41的平均光路长度。这是通过以下选项中的一者或多者实现的：测量单元主体2的材料被选择为反射性的，诸如金属片。替代地或附加地，测量单元主体2的内表面涂覆有反射涂层。反射涂层不仅可以布置在测量单元主体2的内表面上，而且可以布置在以下各项中的一者或多者上：基板1的第一侧11的一部分；压力换能器3的一部分，诸如其顶侧；帽7的面向测量容积21的外表面。以这种方式，测量单元内部的整体反射率增加，从而可以更准确地测量成分的浓度。

图6和图7各自示出了根据本发明的其他实施例的光声(PA)气体传感器装置的剖视图。在先前的实施例中，帽本身极大地促成帽容积，因为帽本身提供空腔并且因此限定内部空间。在图6和图7的实施例中，帽被实施为平面盖，而帽容积由基板中的凹槽限定。

在图6和图7的实施例中，基板1优选地是印刷电路板(PCB)，优选地是包括位于PCB的不同竖直水平处的多个导电层的多层PCB。例如通过蚀刻或接地或其他材料去除技术来构造PCB，以便在PCB中产生至少一个凹槽15，从而产生PCB的凹陷部分。凹槽15位于PCB的第一侧11上，即在上面布置/将布置组件的侧11上。凹槽15被理解为凹口，而不是贯穿通道，使得在基板1的凹陷部分中，基板1与其常规厚度相比薄化。换句话说，基板1也是跨越其凹陷部分的连续基板1。

基板1中的凹槽15影响第一水平L1表面和沿z轴低于第一水平L1的第二水平L2表面。目前，在此第一水平L1表面上布置有两个组件，即电磁辐射源4和控制器8。从图6和图7中可以看出，这些组件4、8导线接合至基板1的第一层L1表面，因此意味着第一水平L1表示基板1的层，其中，导电层中的一个的结构可以产生导电路径和接触焊盘。电磁辐射源4桥接第二水平L2表面。

基板1包括第二凹槽16。压力换能器3在第三水平L3表面上布置在第二凹槽16中，从而桥接第二凹槽16的第四水平L4表面。压力换能器3电连接至基板1中的金属化层的导电焊盘/导电路径。孔口23目前设置在基板1中，在基板1的另一凹陷部分中在基板1的第一侧11上由膜22覆盖。

在图6的实施例中，凹槽15由平面帽7封闭。另一凹槽16由平面盖6封闭。帽7支撑面向测量容积21的反射涂层73。盖6支撑面向测量容积21的反射涂层703。帽7和基板1的凹陷部分限定帽容积71。盖6和基板1的另一凹陷部分限定另一帽容积701。优选地，帽7和盖6是一体的，具有均匀的涂层73、703。

盖6实现两个开口61和62。开口61被布置为靠近压力换能器3并且实现测量容积21与压力换能器3之间的声学耦合。开口62靠近/位于孔口23之上并且具体地支持周围环境与测量容积21之间的气体交换。

在图7的实施例中，凹槽15和另一凹槽16被由硅制成的一体式平面帽7封闭。另一凹槽16由平面帽7封闭。帽7本身由反光材料制成。帽7实现开口61，用于与测量容积21进行声学耦合和气体交换两者。帽7和基板1的凹陷部分限定帽容积71，并且帽7和基板1的另一凹陷部分限定另一帽容积701。组件与基板之间的替代性电气连接可以包括焊球、焊接或导电粘合剂。

图8示出了根据本发明的另一实施例的光声气体传感器装置的剖视图。该设置类似于图6和图7所示的实施例。然而，帽7不再是平面盖，而是由示出至少一个空腔的帽结构7/70形成。目前，帽结构7/70包括用于形成帽7的第一空腔74和用于形成另一帽70的另一空腔704。因此，设置另一空腔704以便结合上面布置有帽结构7/70的基板1促成另一帽容积701。帽容积71与另一帽容积701借助于帽结构7/701(例如帽结构7/70中的底座B)彼此分离以坐落在基板1上。尽管除压力换能器3之外的一个或多个电气组件放置在帽容积71中，但压力换能器3放置在另一帽容积701中。帽结构7/70提供至少一个开口702以用于测量容积21与压力换能器3的声学耦合。此开口702靠近压力换能器3的位置。提供第二开口705以使得能够经由另一帽容积701在光声传感器的周围环境与测量容积21之间进行气体交换。为此，基板1包含靠近另一开口705的孔口23和膜22。

在这样的实施例中，电气组件可以全部驻留在基板1的第一侧11上，该基板1甚至可以不表现出凹槽或不同的表面水平。然而，与包含用于覆盖少数选定组件的单个帽的其他实施例相比，目前所有组件都被覆盖。结果，诸如压力换能器3等组件不直接面向测量容积21，而是面向帽结构7/70。考虑到面向测量容积21的任何表面都期望是反射性的，因此帽结构7/70和至少其面向测量容积21的表面优选地由反射材料制成或者涂覆有反射材料，诸如涂层703。这样的涂层703比单独电气组件的涂层或外壳更易于实现。

优选地，帽7和另一帽70由共用帽结构7/70形成，诸如图8所示。共用帽结构7/70可以是具有被蚀刻以形成两个帽7/70的两个空腔74、704的硅晶圆。这样的硅晶圆优选地接合至基板1的第一侧11上。在本示例中，测量单元主体2附接至帽结构7/70，同时仍然布置在基板1的第一侧11上。

然而，基板1还可以包括一个或多个凹槽，目前为两个凹槽15、16，以分别提供第一水平L1表面和第三水平L3表面，两者都处于比基板的常规水平表面更低的水平L1/L3处。这样的凹槽15、16可以用作例如电磁辐射源4和压力换能器3的后容积。

尽管上面示出和描述了本发明的实施例，但应当理解，本发明不限于此，而是可以在所附权利要求的范围内以其他方式实施和实践。

元件符号列表

1 基板

11 第一侧

12 第二侧

13 焊盘

14 排气孔膜

15 凹槽

16 另一凹槽

17 排气孔

L1 第一水平

L2 第二水平

2 测量单元主体

21 测量容积

22 膜

23 贯穿通道

24 涂层

3 压力换能器

4 EM辐射源

41 红外辐射

5 电容器

6 盖

61 第一开口

62 第二开口

7 帽

71 帽容积

72 滤光片

73 涂层

74 空腔70 另一帽

701 另一帽容积702 第一开口703 涂层

704 另一空腔705 第二开口7/70帽结构

8 控制器9 另一传感器