專利名稱：靈敏度增加的熱傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器并特別涉及靈敏度增加的熱傳感器。本發(fā)明更特別 涉及這樣一種熱傳感器，其具有共同位于熱隔離臺上的第一和第二溫度感 應元件，典型為電阻性元件，以至于第一和第二溫度感應元件的每個都暴 露在相同的熱環(huán)境中。
背景技術(shù)：
傳感器在所屬領(lǐng)M眾所周知的。當形成在例如硅或鍺的半導體材料
中時，這樣的傳感器可以提供作為機械結(jié)構(gòu)，例如作為MEMS布置，或者 作為電磁(EM)輻射傳感器，例如紅外線(IR)傳感器。通過使用例如珪 的材料，有可能通過蝕刻和其他半導體處理技術(shù)在晶片的一個或多個層中 形成傳感器，從而獲得所需的結(jié)構(gòu)。由于傳感器的精密性質(zhì)以及它們對周 圍環(huán)境的靈敏性，在傳感器上方提供保護蓋是眾所周知的，蓋用來4吏傳感 器的環(huán)境與傳感器可工作的周圍環(huán)境相隔離。
在EM傳感器領(lǐng)域內(nèi)，對于可以封裝方式提供的傳感器有特別的需求。

發(fā)明內(nèi)容
這些和其他問題由根據(jù)本發(fā)明教導的提供了熱傳感器的電路來解決， 熱傳感器提供有共同位于熱隔離臺上的第一和第二溫度感應元件，典型為 電阻性元件，以至于第一和第二溫度感應元件的每個都暴露在相同的熱環(huán) 境中。通過將感應元件共同設置在等溫環(huán)境中，有可能保證來自感應元件 的響應是與其上輻射相關(guān)的響應，而不是_從某些其他來源可引出的。
根據(jù)優(yōu)選的實施例，本發(fā)明為此提供了如權(quán)利要求l的電路。該電路 的有利的實施例在其從屬權(quán)利要求中提出。本發(fā)明也提供了根據(jù)權(quán)利要求 17或18的熱傳感器、根據(jù)權(quán)利要求62的傳感器陣列、根據(jù)權(quán)利要求66 的氣體分析儀以及根據(jù)權(quán)利要求64的識別傳感器。本發(fā)明也提供了根據(jù) 權(quán)利要求68的形成傳感器的方法。也提供了根據(jù)權(quán)利要求70的教導的電磁傳感器。
本發(fā)明教導的這些和其他的特征將參照下面的附圖來理解，這些附圖 提供來幫助理解教導，而不是解釋成以任何方式限定保護范圍。


將參照附圖對本發(fā)明進^i兌明，其中
圖l為用于實踐本發(fā)明的傳感器的說明性實施例的截面圖2為從圖1的傳感器上方觀看的透視圖3為可用于形成圖l的傳感器的方法的實例；
圖4A為根據(jù)本發(fā)明教導的可用于定義光學元件的第一圖案的實例；
圖4B為根據(jù)本發(fā)明教導的可用于定義光學元件的第二圖案的實例；
圖4C為根據(jù)本發(fā)明教導的可用于定義光學元件的第三圖案的實例；
圖5為示出了根據(jù)本發(fā)明說明性實施例的包括多個傳感器元件的傳 感器實例的平面示意圖6為根據(jù)本發(fā)明教導的可用于定義適于與圖5中的多個傳感器元件 一^^吏用的光學元件的圖案的實例；
圖7為根據(jù)本發(fā)明教導的復合傳感器的截面圖8示出了另一實施例，其中傳感器包括參考元件；
圖9示出了圖8的布置的修改；
圖IO示出了可用在本發(fā)明內(nèi)容內(nèi)的傳感器構(gòu)造的示范性實施例；
圖11示出了在另一實施例的內(nèi)容中在熱絕緣臺上提##感器元件；
圖12示出了在另一實施例的內(nèi)容中在傳感器與襯底上的周圍元件之 間形成熱阻擋體，12A為布置的截面圖以及12B為布置的俯視圖12C示出了圖12A和12B的布置的修改；
圖13示出了圖12的布置的另一^^改；
圖14示出了在另一實施例的內(nèi)容中提供芯片溫度傳感器；
圖15示出了圖14的芯片溫度傳感器的陣列的實例；圖16示出了芯片溫度傳感器陣列的另一實例；以及 圖17示出了芯片溫度傳感器陣列的另一實例。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參照圖1至17的示范性實施例對本發(fā)明進幹沈明。雖然本發(fā) 明具有在任何電磁(EM)輻射感應環(huán)境中的應用，但是為了解釋的方便， 現(xiàn)在將參照一優(yōu)選的說明性實施例進^S兌明，其是硅晶片基的熱輻射傳感 器。雖然下文中所例舉的各個實施例都有可能彼此結(jié)合的使用，但M當 理解，本發(fā)明不以這種限制的方式來解釋，因為一個實施例的特征和組件 可以與另一個實施例的特征和組件一起使用，或者可以不一起^f吏用。這樣，
本發(fā)明僅僅限制在根據(jù)附加權(quán)利要求認為必要的范圍內(nèi)。
電磁輻射傳感器通常包括脆弱感應膜。膜的易碎特性使得在膜被制造 后需要小心(由此產(chǎn)生費用的影響)操作傳感器以避免損壞和成品率損失。 此外，對于膜基的熱輻射傳感器，有利的是，在真空或者其他低壓環(huán)境中 封裝傳感器，從而消除通過氣體對流和傳導從吸收膜的熱量損失。最后， 雖然許多單點IR傳感器根本不使用聚焦透鏡，但是單點熱傳感器的優(yōu)勢
在于能夠?qū)⑤斎氲妮椛渚劢沟侥ど系膯蝹€感應點上，從而有效地放大信 號。在單點IR傳感器使用透鏡的情況下，它們一般使用具有適合的形狀 和折射率的材料(例如鍺或者其他類似的材料)的折射透鏡。
為了將熱場景成《象到傳感器陣列上以產(chǎn)生該場景的紅外照片，相同的 要求也適用，附加的要求是非常期望聚焦光束(即，用透鏡)，以在傳感 器陣列的<象平面上產(chǎn)生該場景的聚焦圖^>。
通過提供一種裝置和用于在晶片級使用硅蓋給熱傳感器加蓋的方法， 本發(fā)明的傳感器解決了上述這些和其他的挑戰(zhàn)。根據(jù)本發(fā)明，傳感器裝置 (或重復傳感器裝置的陣列)制造在一個晶片襯底上，并且蓋晶片制造在 分離的襯底上。在受控的周圍！Hf下，蓋晶片連接到該傳感器晶片并與之 相結(jié)合，優(yōu)選的實施例是在真空條件下。該結(jié)合的晶片布置能夠被分離或 者切割成各個有蓋傳感器芯片，用于最終封裝和銷售。這種加蓋的方法在 轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的Felton等的美國申請No. 20030075794中4艮好地 進行了說明，并且通過引用將其內(nèi)容結(jié)合于此。
圖1以截面圖示出了這種傳感器裝置100。該裝置包括形成在第一硅晶片110中的感應元件105,或有時稱之為傳感器芯片。也提供由硅帽構(gòu) 成的蓋115，在蓋中蝕刻出圖案120，以形成單個衍射光學元件。實現(xiàn)該 衍射光學元件(DOE)的兩種可能方法分別是眾所周知的幅度調(diào)制和相位 調(diào)制。在幅度調(diào)制的情況，表面圖案由允許輻射傳導的區(qū)域和阻擋輻射的 區(qū)域構(gòu)成。在相位調(diào)制的情況，圖案由表面上的高度變化構(gòu)成，表面上的 高度變化有效地修正作為圖案的相對高度差的函數(shù)的輻射的相對相位。在 此說明性實施例中，圖案提供在蓋的內(nèi)表面135上，但是要認識到，它也 可以提供在外表面140上。也要認識到，所述圖案(其幾何形狀為了觀察 的方便而被夸張)包括多個脊150，脊的分隔距離和深度與光學元件使用 時光的波^N關(guān)。蓋典型形成在第二硅晶片或蓋芯片中。在衍射光學元件 蓋115中定義的此圖案120能夠使給定頻率的入射輻射125聚焦到傳感器 的特定面上或者傳感器上的特定點上，或?qū)⒉煌念l率聚焦到不同的點 上。使用*或密封材料13 0將蓋115掩^到第 一 晶片并且該掩^定義了 密封的腔145，其可以處于與周圍壓力不同的壓力下，典型為低壓。可選 擇地，此腔的密封特性以及制造工藝允許腔內(nèi)的環(huán)境氣體不同于空氣，例 如我們可以使用具有比空氣低的熱導率的氙或某些其他氣體。雖然硅蓋對 于可見光鐠中的入射光是實質(zhì)上不透明的，并因此可以認為它阻擋了光入 射在內(nèi)部的感應元件上，但是要認識到，硅允許EM頻鐠的紅外線頻率的 光傳導，因此對于本申請，提供IR傳感器時，它是一種適合的材料。圖 2示出了組裝后的傳感器裝置的實例，從該實例將會看到，感應元件由提 供在其上方的蓋覆蓋。
圖3中示出了制造傳感器的典型工藝流程。首先，使用所屬領(lǐng)域那些 眾所周知的技術(shù)制造傳感器晶片110(步驟300 )。蓋晶片也被分開地制造 (步驟310)。此蓋晶片的制造包括在蓋的外表面140和內(nèi)表面135的任 一或者兩者上蝕刻所需的圖案?？?gt;^射涂層可以另外添加到蓋的內(nèi)或外表 面。 一旦在兩個晶片襯底的每個上提供了所需的組件，那么可以將晶片放 在一起以便進行接合(步驟320 )。理想地，在真空條件下實現(xiàn)該M。 一旦兩個晶片已放置起一起，那么通過移除不定義蓋的第二晶片的區(qū)域， 各個芯片可以被分離或者在晶片的整個區(qū)域內(nèi)被定義(步驟330 )。這樣， 可以在一個工藝流程中提供多個單個芯片或傳感器。
要理解的是，定義光學元件的圖案的特性將影響傳感器如何運行。圖 4示出了圖案類型的實例，其可以^使用幅度調(diào)制或者相位調(diào)制的方法實 現(xiàn)，其可以用來在傳感器蓋中定義衍射光學器件。圖4A的實例對于相位調(diào)制方法中利用衍射光學元件的高度的正弦變化將波長10微米的平行入 射光向下聚焦到300微米遠的焦面是最佳的。正弦曲線的相對高度由圖案 中的支變變化表示，對于幅度調(diào)制方法，^L將表示圖案的傳導效率。圖 4B的實例是為了波長10微米的平行輸入光向下聚焦到370微米遠的焦面 設計的，但是在這種情況下，黑和白的圖案表示單階高度變化而非正弦變 化，以實現(xiàn)相位調(diào)制的衍射光學元件的光柵。在圖4C中的實例也使用單 階高度變化來實現(xiàn)衍射光學元件，但是在這種情況下，其被設計成將波長 IO一的平行輸入光向下聚焦到IO微米遠的焦面。需要理解的是，這三個 例子說明了可以使用的圖案類型，可是采用此方法時，關(guān)于焦面的控制或 者對于入射輻射內(nèi)不同波長分量的獨立控制的不同設計要求也是可能的， 并且被本發(fā)明所覆蓋。這些例子，由圖4B和4C中的黑白環(huán)構(gòu)成，能夠代 表傳導圖案或者聚焦光線的相位調(diào)制圖案，但是遭受傳導中損失也被獲 得。然而應當認識到，圖案的設計可以優(yōu)化以得到較低的損失標準，例如 在定義光柵的脊特征中引入彎曲的側(cè)墻，如圖4A的支變圖所表示的。
由本發(fā)明提供的蓋在許多方面是有利的。它用來l)在后續(xù)的操作 過程中保護膜，2)也提供在制造期間可被排空的用于感應膜的外殼，以 及3)能夠以這樣一種方式被圖案化和蝕刻，即將入射的紅外線輻射聚焦 到單個點以放大信號或者聚焦到陣列上以產(chǎn)生場景的圖像。特別地，該圖 案可以如此構(gòu)造以實現(xiàn)光學元件(即，常規(guī)的折射或菲涅耳透鏡)或者在 優(yōu)選實施例中的衍射光學元件。本申請光學元件的產(chǎn)生具有以下優(yōu)勢對 于紅外線折射透鏡，透鏡能夠用硅而不是此前需要的更特別(而昂貴)的 材料來實現(xiàn)。在硅蓋中使用衍射光學器件所產(chǎn)生的優(yōu)點是透鏡可以在晶 片組級利用已很好確立的工藝進行圖案化和蝕刻，并被接合到傳感器晶 片，導致與此前使用的折射透鏡技^M目比具有成本效益的透鏡。該方法可 以應用于除這里所述的紅外應用之外的其他電磁輻射傳感器。例如，蓋可 以由石英制成，或者在某些情況下由例如耐熱玻璃的標準玻璃或可能的藍 寶石制成，如果傳感器要用于除IR傳感器之外的其他應用。
某些應用中，能夠使用透鏡/蓋的構(gòu)造將入射輻射中的不同波長聚焦 到由蓋封閉的不同傳感器上也可以^1有用的。圖5為一個這樣實例的示意 圖，其中在同一蓋布置內(nèi)揭_供四個感應元件501、 502、 503、 504。要i人 識到，透鏡布置的適當設計可以考慮到傳感器的優(yōu)化，以聚焦一個特定的 波長而不聚焦(排斥)其他的。這會允許紅外線輻射中不同波長分量的個 別強度測量， 一種在例如氣體分析方面會非常有用的能力，例如在需要監(jiān)測人呼吸中酒精7JC平的情況下的酒精呼吸取樣器。由于酒精在IR頻譜中
具有特定的吸收峰，因此與這些峰重合的輻射聚焦到提供在蓋下面的陣列 中的傳感器元件501、 502、 503、 504的特定傳感器元件上將^吏得能夠識
別在那些特定頻率的輻射的任何強度變化，從而用作樣本中存在的酒精的 指示器。由于傳感器元件的每個構(gòu)造為對適合頻率的入射輻射起作用，因 此當該輻射入射到各個傳感器上時，每個傳感器元件的性能分析表明了它 被設計來對其起作用的材料存在與否，從而提供被分析氣體的氣體波長特 征。
圖6為使用幅度調(diào)制方法的衍射光學元件(DOE)設計的實例，其可 以與圖5中的傳感器布置相結(jié)^^吏用，以將入射輻射中的四個截然不同的 波長的每一個聚焦到圖5中所示的四個感應元件501、 502、 503、 504的 一個上。該設計或圖案可以通it^透鏡中形成單階或者提供不同高度的多 階來制造。要認識到，本發(fā)明有關(guān)DOE的制造不想被限制在任何方式下， 而是想要包含單一步驟、多個步驟或者其他變型的所有制造方法。
雖然沒有示出，但^JH人識到本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可以進一步修改成包括提 供在光學元件上方的第二透鏡布置，以便于產(chǎn)生復合透鏡的效果。該布置 可以適于例如增加放大率、擴大可視范圍、增加的分辨率和改善的光學過 濾的應用。該布置可以通過提,合到芯片的第二透鏡來提供?？蛇x擇地， 并且如圖7中所示，有可能制造第二透鏡701并且將該第二透鏡耦合到完 成的封裝700。這樣，在DOE 115和第二透鏡701的內(nèi)側(cè)部分之間形成定 義的體積703。在定義的體積中的氣氛就壓力或內(nèi)容物而言可以控制為所 需要的。要認識到，制造復合透鏡效果的任何其他方法打算包含在本發(fā)明 的范圍內(nèi)。
要理解的是，本發(fā)明的技^MI:供了一種有效的方式來提供IR傳感器 陣列，例如60 x 60陣列。該結(jié)構(gòu)對于如IR成像的應用是需要的，那種情 況下，本發(fā)明的傳感器陣列可以用來替代常規(guī)的IR陣列。當前IR陣列沒 有如本發(fā)明設置的在低成M元中集成的透鏡和傳感器陣列。當前常規(guī)的 IR陣列提供具有IR透明窗口的真空封裝或者封裝體中的透鏡，而不是本 發(fā)明所述的晶片級解決方案。
對于本發(fā)明的傳感器元件/透鏡蓋集成的結(jié)構(gòu)的另外一種應用是在要 求場深度分析的地方。通過適當?shù)臉?gòu)造透鏡，有可能將來自兩個不同距離 的光聚焦到蓋內(nèi)分開的傳感器元件上。這4吏得區(qū)別熱源的來源成為可能，例如其是平面金屬板還是三維人體軀干。這些應用可以包括用于例如安全 氣嚢部署配置的識別部署傳感器。
根據(jù)本發(fā)明的傳感器的尺寸典型為微米到亳米的量級。例如當目標為
IO微米波長的輻射時，蓋可以形成的尺寸為具有約1咖2的收集面積和在 傳感器元件之上約160微米的高度。然而這些尺寸純粹是為了說明的目 的，不是打算限制本發(fā)明至任何一組尺寸標準。
已經(jīng)參照蝕刻工藝對本發(fā)明的傳感器的制造進行了說明。典型地，該 蝕刻將為眾所周知的工藝類型如深JL^應離子蝕刻(RIE),其固有地產(chǎn)生 實質(zhì)上垂直的側(cè)壁(大約90度)。該工藝的一個優(yōu)點是，具有這樣的垂直 性，因此腔側(cè)壁需要較小的空間。這直接影響了 "窗口"的尺寸并因此影 響能夠制作的蓋的總尺寸。通過減小蓋的尺寸，減小了芯片上所需的面積， 從而相應減少了在蓋邊緣下方以及周圍的"浪費"的空間。
結(jié)合了輻射阻擋體的蓋布置。
迄今為止，已經(jīng)參見具有透明窗口的感應裝置對根據(jù)本發(fā)明教導的傳 感器進行了說明。本發(fā)明也提供了某些實施例，用于也結(jié)合了感應裝置的 第二單元的制造，其提供與第一單元的響應不同的響應。那么該第二單元 可以被看作參考單元，其與第一感應單元的不同之處在于它的響應可以結(jié) 合該感應單元4吏用，以考慮到對感應單元的響應的識別。這樣的一個實例 是使參考單元完全不透明，從而在IR傳感器的情況中它的傳感器僅面對 蓋(即300K)，但是可以使參考單元部分不透明，從而總存在通過的周圍 輻射的已知部分。這對于氣體傳感器的應用是有利的，那種情況下，參考 單元可以被除要被感應的氣體外的、經(jīng)過與感應側(cè)相同光學路徑的輻射所 照射。這將移除信號對于例如水蒸氣的假M。另一實例是第二單元的光 學特性與第一單元的光學特性相同但是它被不同頻率的輻射(即不同輻射 源)選擇性照射的情況，以便提供與第一單元的輸出不同但是可以與4^目 比較的輸出。然而在所有的情況下，應當理解的是，第二單元被構(gòu)造成提 供與第一單元的響應輸出不同的響應輸出，通過改變用于提供參考或者校 準第一單元的輸出的第二單元所使用的蓋的特征，可提供此第二參考單元 的響應變4匕。
典型的實施例將使用具有光學不透明窗口的參考單元。該不透明性可 用來提供"暗"單元，其將提供不依賴于由第一單元感應的輻射水平的信 號輸出。圖8示出了該布置的實例。對于參考前面的圖已經(jīng)說明過的組件將使用相同的附圖標記。
在該布置中，傳感器裝置800包括提供指示在傳感器裝置上入射的輻 射水平的輸出的第一單元810和提供不依賴于在傳感器裝置上入射的輻 射水平的輸出的笫二單元820。第一和第二單元各自包括形成在第一襯底 IIO上的IR傳感器105并且各自具有提供在其上方的蓋816、 826。各單 元的加蓋用于定義各傳感器之上的受控體積，取決于應用，其如上所述地 能夠適當?shù)某榭栈蛘哂商囟ǖ臍怏w填充。第二單元820不同于第一單元的 地方是，它被構(gòu)造成防止通過蓋而到達傳感器105上的輻射傳導。這可通 過在單元上提供光學不透明層830來實現(xiàn)。第二單元因此可以被認為是參 考單元，其輸出不依賴于入射輻射。那么該第二單元的輸出可以用來校準 第一單元的輸出，第一單元的信號輸出將由其上的入射輻射的強度決定。
要理解的是，通過提供該參考單元，根據(jù)本發(fā)明教導的傳感器裝置通 過提供暴露的傳感器的輸出和變暗的參考傳感器的輸出之間的比較使得 能夠探測輻射。在該裝置中，僅改變了變暗的傳感器的光學特性，熱特性 和電學特性與被照傳感器的特性相同。這樣，有可能準確iMt確地感應入 射輻射，其是IR輻射或任何其他類型的電磁輻射，例如在可見光鐠中。
圖8中示出的兩個單元的布置為兩個不同單元的布置，每個分別形 成。如圖9中所示的替代布置，可以提供單個蓋900，蓋900被^UO^加 工以定義兩個腔或室905、 910，其中的一個905可位于被照元件之上以 及第二個910可位于不被照元件之上。兩個定義的區(qū)域的每個都具有IR 感應元件105并且可以用任何合適工藝形成。蓋腔的內(nèi)部可以用任何所需 的氣體環(huán)境(例如，空氣、氮氣、氬氣、氙氣)填充或者甚至簡單設為真 空。使用能夠提供氣密密封的必要水平的密封工藝將蓋密封到襯底。這些 技術(shù)對所屬領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。阻擋IR輻射的屏蔽物830
(適宜地)使用將反射入射輻射的薄金屬層制造。為了避免不均勻地加熱 蓋，所需要的IR阻擋層應當是^Jlt器，而非吸收器。如圖9中所示，密 封中的縫隙920可以留在各個蓋室之間，以允許各室中的壓力均衡，而不 依賴于整個蓋的泄漏率。這樣的布置解決了對周圍壓力十分敏感的許多基 于MEMS的IR傳感器裝置具有的問題。
為了定義兩個室，而提供柱925。該柱從蓋900的頂部930向下延伸， 并且終止于在兩個室之間的縫隙920處。柱可以有涂層或被摻雜，以最小 化兩個室之間的輻射泄漏。柱的典型尺寸是50-100微米寬和170微米高?？p隙是典型6微米高的量級，其為被監(jiān)測IR輻射的波長的量級，從而， 不太可能任何輻射可以從被照腔通過該縫隙傳導到不被照腔。然而，是否 通過提供階梯圖案(類似于鋸齒布置)可以實現(xiàn)暗腔的整體的所需進一步 保證，從而允許壓力的均衡但是阻止了輻射的傳導。
為了進一步減小不被照腔側(cè)內(nèi)的IR污染水平，分隔區(qū)域的壁也可以 涂A^射金屬(或其他IR型阻擋體)，以阻擋從被照表面已^L^射的IR。 或者，該區(qū)域可以這樣一種方式被處理(例如，使用例如多晶硅材料重摻 雜到足夠的濃度或者被氧化到足夠的厚度)，從而吸收任何^L^射的IR。 輻射的吸收是一種優(yōu)選的方式來通過腔的內(nèi)部實現(xiàn)IR的阻擋，因為確保 了它從腔被取走，而不是僅僅被彈回到另一區(qū)域(這將A^射解決方式中 的情況)。由側(cè)壁提供的吸收用來抑制反射，以防止各單元內(nèi)假信號的產(chǎn) 生。另一種適合的技術(shù)可以是簡單地將不被照傳感器與被照傳感器充分隔 開，使得輻射將被自然吸收在硅中。
要理解的是，根據(jù)本發(fā)明教導的傳感器布置給出了蓋使用高熱導率的 材料，從而確保兩個感應裝置暴露在相同的溫度表面，于是再次最小化熱 污染的問題。雖然參照硅進行了說明，但是要理解的是，其他材料例如鍺 也是可以使用的。
通過使用如這里說明的加蓋布置，有可能將被照的和不被照的傳感器 彼此相鄰地放置。結(jié)果是，可以相同的制造效率制造它們，并且兩者之間 的唯一差別是它們工作的光學環(huán)境。這對于高靈^L應用中使用的傳感器 特別有用，在那種情況下，兩個傳感器(參考的和工作的)之間輸出的小 差異指示實際測量。
通過提供響應特性不同的至少兩個單元，有可能定義如剛才所描述的 工作的(active)和參考的單元。不同響應特性的提供可以通過許多不同 方式中的任一種實現(xiàn)，例如通過修改光學響應特性、電學特性、熱響應特 性，或甚至通過保持所有這三種特性相同而僅用不同的輻射源照射各單 元。
惠斯通電橋布置的使用
雖然IR傳感器的細節(jié)(例如，輻射熱測量儀，熱電堆或其他)在屏 蔽的內(nèi)容中是相對不重要的，但是圖9示出了以惠斯通電橋構(gòu)造布置的 IR傳感器。為了起作用，惠斯通電橋的一側(cè)需要被照射而另一側(cè)在黑暗 中。使用前述蓋布置的結(jié)構(gòu)，有可能屏蔽電橋的暗側(cè)而另外保持感應元件的完全相同的熱和電性能。這樣集成的IR傳感器結(jié)構(gòu)兼有高效的熱管理 方案、真空或受控環(huán)境蓋以及提供屏蔽電橋暗側(cè)的方法。該蓋結(jié)構(gòu)確保了 被屏蔽的和被照射的電橋元件的熱和電特性是相同的。雖然在圖9中描述 了單個裝置，但是要理解，該布置可以應用于單個傳感器或傳感器陣列。
在如圖10中所示的惠斯通電橋結(jié)構(gòu)中，在電橋一側(cè)上(Rbol，)的熱 敏電阻器(例如電熱調(diào)節(jié)器或輻射熱測量儀)由入射輻射照射，并且電橋 這一側(cè)的輸出與不被照的其配對Ubol)有效比較以產(chǎn)生輸出電壓，該輸 出電壓與被照和不被照電阻器之間的電阻變化的差值成比例
Vo-VDD [ (Rbol-Rbol，) / (Rbol+Rbo1，)]
以;Sjit于Rbol，=Rbol+dR
dVo ~ -2dR/4Rbo1
該熱敏電阻器的特征是具有眾所周知的電阻溫度系數(shù)(TCR),并且如 果被照射到，那么它們將吸收來自入射輻射的熱量。因此很顯然不單單必 須電阻器(Rbol )保持在黑暗中，它們也必須面對與Rbol，相同的熱環(huán)境， 從而沒有其他溫度影響被允許污染被觀察的信號。雖然其他結(jié)構(gòu)的電橋是 可能的并且有時是需要的，但是由4個完全相同的電阻器(相同TCR，相 同熱導率和電容)制造出電橋，其中4個中的2個被M射輻射屏蔽而另 外的對于每個被照電阻器保持完全相同的熱環(huán)境，給出了最優(yōu)的性能。使 用完全相同的電阻器帶來的效果是，在沒有任何入射輻射存在的情況下， 對于電阻器的背景溫度的任何變化，輸出電壓都將保持為零。對于入射輻 射沒有響應的電阻器通常稱為"參考"輻射熱測量儀。
雖然采用使用了四個物理分離電阻器的惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的輻射傳感 器對于某些應用可以提供適合的信號響應，但是有可能改善傳統(tǒng)電橋結(jié)構(gòu) 的性能。本發(fā)明的實施例提供了這樣的布置，其改善了傳感器對于施加的 信號的響應性。在該布置中，形成惠斯通電橋的相對臂的每對兩個電阻器 共同位于熱隔離臺上，從而確保它們每個都暴露在相同的熱環(huán)境。
如在圖ll的平面圖(圖IIA)和截面圖(圖IIB)所示(其示出了具 有兩個電阻器的單個臺的結(jié)構(gòu))，這樣的布置提供了熱隔離臺1100，其通 iWt硅村底110中蝕刻腔1105來形成。該腔的范圍可通過使用能控制蝕 刻工藝的范圍的溝槽1110來定義。該腔用于^^臺1100與下面的襯底絕緣。 可設置縫1115來使臺絕緣于在臺旁邊的芯片部分中的任何熱梯度。在蛇型(S)結(jié)構(gòu)的說明性示范實施例中，第一1120和第二1125電阻器拔_供 在臺上。要認識到，電阻器的實際結(jié)構(gòu)不是重要的，重要的是所制造的電 阻器的主要部分提供在熱絕緣臺上。兩個電阻器的每個都提供有接觸點 1130，以方便電阻器連接到電橋的其余部分。
要理解的是，在該實施例中，雖然圖11示出了具有兩個電橋電阻器 (即惠斯通電橋的一對)的臺的形成，但是期望M對電橋電阻器都置于 它們自己的臺上。這樣，電橋結(jié)構(gòu)的形成將需要兩個熱隔離臺，每個熱隔 離臺都期望使用微電子機械結(jié)構(gòu)(MEMS)制造技術(shù)形成。惠斯通電橋的相 對臂上的兩個電阻器共同位于相同的臺上，從而確保它們兩者面對相同的 溫度變化，并且如果被合適的連接，那么對于給定的輸入輻射流密度給出 兩次輸出信號。
該熱敏電阻器的特征是具有眾所周知的電阻溫度系數(shù)(TCR)，并且將 吸收來自入射輻射的熱量，如果被它照射(適合的吸收層被包括在電阻器 和臺的結(jié)構(gòu)中)。可以使用各種吸收層，包括氮化珪層、二氧化硅層、銀 化合物層以及電阻性化合物層例如氮化鈦，例如在所屬領(lǐng)域眾所周知的。 挑戰(zhàn)是以這樣一種方式構(gòu)造電阻器，使得吸收的能量造成足夠大的溫升并 然后對給定溫升最大化可獲得的輸出信號。
惠斯通電橋結(jié)構(gòu)有很多眾所周知的優(yōu)點。主要的優(yōu)勢是對于匹配良 好的一組電阻器(例如所有電阻器具有相同的TCR和阻值)，輸出電壓不 依賴于周圍溫度而僅取決于在電橋上的總電壓(VDD)和每個被照電阻器 Rbol，的局部加熱。在該實施例中，通過布置兩個Rbol，單元在一個臺上并 且兩個Rbol單元在一個類似的臺上，獲得最大的可能信號。它們的結(jié)構(gòu) 確保了兩個臺的熱耦合差同時確保輻射敏感電阻器對是等溫的。雖然臺的 熱隔離對于高性能的裝置略微降低，但是臺的熱傳導性由臺臂的縱橫比 (aspect ratio)支配。因此，為了容納兩個電阻器而加寬臂將導致從臺 到襯底(該系統(tǒng)中的主要散熱器)的可獲得熱阻的降低。因此要理解的是， 由于臂影響總DC響應和傳感器響應的時間常數(shù)，因此，在系統(tǒng)的設計人 員根據(jù)與系統(tǒng)所需準確度相對的響應速度可以選擇不同臂尺寸的情況下， 存在某種權(quán)衡的可能性。
雖然以上以惠斯通電橋的方式進^i兌明，但是這種結(jié)構(gòu)的使用不是必 須的。例如，如果感應電阻器由電流源的反向?qū)ζ?，那么可以使用相?的結(jié)構(gòu)并會產(chǎn)生相同的好處。其他M過使兩個電阻性元件位于相同的熱隔離臺上而產(chǎn)生熱等效環(huán)境的提M獲益的應用將包括這樣的情景，其中 電阻器用于反饋結(jié)構(gòu)中，第二電阻器提供感應元件，兩個電阻器結(jié)合提供 電路的響應，并且重要的是兩個電阻性元件間的溫度差異不引入假結(jié)果。
在圖11中示出了具有兩條臂的臺，但是可以使用任何數(shù)量的臂，盡 管一般在M穩(wěn)定性和臺的熱隔離度之間存在權(quán)衡。臂的對稱布置對于機 械穩(wěn)定性是期望的但不是必須的。
由于電橋的一側(cè)需要^射輻射照到而另一側(cè)要^蔽掉輻射，因此 在它們之間將存在間隔，足以允許適合的屏蔽結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。該結(jié)構(gòu)可以由
圖9的傳感器布置來提供，其中每一對提供在熱絕緣臺上并位于特定腔 內(nèi)。通過使用硅 械加工技術(shù)制造的對紅外線輻射敏感的電橋，IR傳 感器105可設為電阻器電橋布置。兩個腔905、 910的^Ofe加工可產(chǎn)生 的結(jié)果是， 一個腔位于被照元件(Rbol，)上方，和另外一個位于不被照 元件(Rbol)上方。如圖9中所示，不被照的臺可以具有在下方的腔1105， 以對被照側(cè)給予最好電阻器的電學和熱匹配(如果入射輻射被充分地阻擋 到達Rbol)，或者如果入射輻射僅部分地被阻擋，它可以在下方?jīng)]有腔， 以提供到襯底更好的熱短路(從而最小化其IR響應)，。
雖然已經(jīng)參照將兩個電阻性元件提供在熱隔離臺上的優(yōu)選實施方式 對該實施例進行了說明，但是要理解的是，此說明示范了使用本發(fā)明教導 可獲得好處的類型。該教導可以被認為在第一區(qū)域(其與襯底其余部分熱 隔離)上提供至少兩個熱敏電子元件。該熱隔離已經(jīng)參照在襯底中制造臺 的實施例進行了說明，但是要理解的是，臺可以等效制it^襯底上。通過 例如在襯底的上表面上沉積犧牲層，然后是包括支撐層的傳感器元件層， 和然后移除該犧牲層，留下獨立的臺，可以拔:供該結(jié)構(gòu)。替代的實施方式 是，代替該犧牲層，提供具有高熱導率的沉積層，使得它用來4吏在其上方 形成的傳感器元件熱隔離于襯底中存在的熱效應。作為在要求高熱隔離度 的情形下在電子元件下面4C供熱阻擋體的手段，這些和其他《務改對所屬領(lǐng) 域技術(shù)人員來說是顯而易見的。
用于芯片的熱隔離部分的熱阻擋體
如前所述將會理解的，熱傳感器和其他電子元件可能受支撐襯底溫度 的影響。要理解的是，熱傳感器通過設計特別對溫度的變化敏感并且通常 使用支撐襯底的溫度作為參考或者基準溫度。然而，如果傳感器納入附近 的熱產(chǎn)生裝置(例如電路)，那么該參考或者基準溫度將被千擾并且將在由傳感器測量的計算溫度中引起4m。
圖12示出了另一個實施例，其示出了在任何熱產(chǎn)生區(qū)和熱傳感器之
間形成熱阻擋體以將傳感器隔離于任何假熱源的手段。所需的熱隔離度可 以按需要4殳計。該實施例使用了由氣體或者真空間隔的溝槽對(或更多， 例如三個，等等)，包含可能與絕緣體上硅晶片耦合的區(qū)域以提供高的熱
隔離度。
雖然對于所有這些傳感器和電路是重要的，但是如果傳感器試圖測量 它自身的熱信號，例如紅外線傳感器或者微型熱量測定傳感器，問題變得 尤其嚴重，因此特別適于納入在參考圖l至ll所述的傳感器布置中。該 些傳感器一般將襯底溫度作為參考或基準溫度，并且進行它們的內(nèi)部溫度 與襯底參考或者基準溫度的比較。基準溫度中的任何偏移或者不均勻分
布，無論;l穩(wěn)態(tài)或是隨時間變化，都可能導致基本上與所經(jīng)歷偏移成正比 的傳感器響應的不準確。
散熱的任何附近電路將引起功率耗散元件周圍的局部溫升。該熱量以 根據(jù)所用材料的導熱率性能^M艮好地控制和理解的方式從元件導走。雖然 熱阻擋體可適用于此前描述的帶蓋傳感器的應用，但是現(xiàn)在的描述沒有參 照這種加蓋。
本發(fā)明的該實施例給出了在熱源和傳感器或者敏感電漆之間增加熱 阻來減少此外來熱源的影響的手段。參考圖12，描述了該結(jié)構(gòu)的主要特 征和制造它的方法。相同的附圖標記將用于此前參照圖1至11的任何一 個描述的部分。硅或者其他適合的晶片用作襯底110。傳感器由任何適合 的方法形成(制造順序不重要)，接著兩個相鄰的深溝槽1205、 1210被蝕 刻在襯底中從而形成圍繞傳感器105或散熱源1215的環(huán)，并且填充有適 當?shù)奶畛洳牧?205a、 1205b(例如，二氧化珪、氮化硅、多晶硅或它們 的任意組合)。兩個溝槽由此各形成具有第一熱導率的第一和第二區(qū)，并 且通過具有第二熱導率的中間區(qū)1220彼此分離。通過蝕刻兩個溝槽之間 的區(qū)域來形成空氣填充區(qū)，可以方^更地4C供該中間區(qū)，該空氣填充區(qū)可以 通過絕緣蓋1225被加蓋以形成排空的空氣填充區(qū)。當然，按照需要，該 區(qū)域1220內(nèi)可獲得的體積可以替代地由其他氣體成分填充。電路元件的 其余部分由任何常用的集成電路方法形成，在溝槽和其間區(qū)域的上方留下 絕緣蓋1225。用于蝕刻劑ifX的臨時孔1230形成在此絕緣層中，暴露出 相鄰溝槽之間的硅。之后，整個晶片被暴露于選取用于僅蝕刻硅的蝕刻介質(zhì)(例如若為氣體是XeF2，或若為液體蝕刻劑是KOH)，其移除溝槽之間 的硅。此氣體填充空間的低熱導率確保了很少熱量從源下至溝槽的深度和 被移除的區(qū)域被傳遞到感應元件。該熱量被迫在有溝槽的和被蝕刻的區(qū)域 下方流動，因此增加了熱源和感應元件之間的有效熱阻。
增加的熱隔離水平可通過多個不同方式獲得，例如通過(l)使用多 個這種熱阻擋體,(2 )增加溝槽深度和相對于硅襯底總深度的被移除區(qū)域， (3)如圖12c所示，通過充分地延伸蝕刻，定義在傳感器元件下面的底 切，因此產(chǎn)生較大或較小范圍的封閉隔離"島，，1250，或者(4)通過使 用絕緣體上硅材料的襯底1301和確保溝槽被蝕刻到掩埋絕緣體層的深 度，如圖13中所示。所屬領(lǐng)域技術(shù)人員將熟悉納入該掩埋氧化物層的結(jié) 構(gòu)的制造。由于氧化物或者其他^h質(zhì)層具有比半導體或金屬層低得多的熱 導率，因此該些材料的使用可以附加改善獲得的熱隔離。通過形成一個溝 槽(一般為外側(cè)的溝槽)比另一溝槽深，可以控制圖12C中所示的蝕刻范 圍，使得在傳感器下面的方向中優(yōu)先完成蝕刻。在傳感器下面拔^供此排空 區(qū)產(chǎn)生了熱特性不同于周圍硅襯底的區(qū)域，并且由此為位于上方的傳感器 提供了增加的熱絕緣。
有利地，倘若使用任何已知的方法，溝槽可以填充例如二氧化硅的電 介質(zhì)。然而，由于二氧化硅和硅之間熱膨脹系數(shù)的不同，因此更常見是4吏 用二氧化硅或氮化珪或二者的薄層(例如100-200nm)來作為被蝕刻溝槽 的內(nèi)襯，并之后用多晶硅填充溝槽體。由于多晶硅的高熱導率，這顯著地 降低了溝槽作為熱阻擋體的有效性。原則上在沉積二氧化硅層后可以保留 溝槽不被填充，但是如果溝槽具有除了熱隔離外的任何其他功能，那么這 在溝槽/硅襯底的界面處引起一般不想要的表面電勢控制的問題。而且， 由于期望確保成本保持最低，因此我們方法使用的步驟在許多情況下被用 于傳感器本身的制造，并且因此不另外增加制造工藝的成本。由于上面涉 及到的表面電勢控制問題，這在用于未填充溝槽的情況下可能是無法接受 的(即，工藝中用于電隔離的溝槽不能容許該表面電勢控制問題)。也經(jīng) 常想要在整個工藝的制造工序的開始階段進行溝槽處理，并且在這種情況 下未填充的溝槽不能被容許，因為由于它開放的頂部，它會被工藝殘留物 所填充，導致難以管理的缺陷水平。我們建議的方法想要在工藝順序的末 端進行，使用在工藝中任何點處已制造的溝槽，從而避免任何這樣的問題。
通過定義不同熱導率的區(qū)域，圍繞熱敏元件形成的熱阻擋體用來將元件與來自相鄰部件的任何熱影響隔離。JH人識到，將熱阻擋體區(qū)域中的部 件電耦合到區(qū)域外的部件仍然可能是必要的。該耦合可以通過在需要耦合 的部件之間提供多種不同類型電連接中的任一種來實現(xiàn)，例如線軌跡
(wire track) 1235。根據(jù)這些傳感器應用的情況，可以要求不同熱隔離度， 其將影響選擇的最終熱阻擋體結(jié)構(gòu)。
分布式芯片溫度傳感器
雖然此前已經(jīng)參照分立的傳感器或者這種傳感器的陣列^L明了傳感 器，但是在本發(fā)明的另一個實施例中也提供了供芯片溫度感應的布置。該 布置如圖14-17所示。
該芯片感應的設置提供了在圍繞芯片的多個位置測量芯片溫度的手 段，然后這些溫度測量結(jié)果可用來再補償明顯觀察到的溫度。這可以如下 進行，在圍繞芯片的戰(zhàn)略性點處布置小的溫度測量裝置，例如感應二級管 和/或晶體管，以及使用溫度傳感器電路來測量這些點溫度，向用戶提供 數(shù)據(jù)。當與參考圖12和13的上述熱P且擋體結(jié)合使用時，通過施加已知的
熱源并使用位于熱阻擋體任一側(cè)的傳感器來測量穿過該阻擋體的溫度變 化dT，也可以在生產(chǎn)中檢查熱阻擋體的效力。
眾所周知，^T散熱的電路都將引起功率耗散元件周圍的局部溫升。 該熱量以根據(jù)所用材料的導熱率性能被良好控制和理解的方式從元件導 走。此外，在局部或更廣泛層面上的其他芯片溫度變化可能由外部輻射源 或周圍溫度變化引起。例如，如果IR熱傳感器正在測量包括移動的熱-冷邊緣的場景(例如輸送帶上的熱對象)，那么芯片溫度變化將出現(xiàn)在傳 感器芯片上，從一個邊緣移動到另一邊緣，如同對象通it)f見測的區(qū)域。同 樣，如^目同的熱傳感器被從冷環(huán)境搬到熱環(huán)境，那么基本芯片溫度將變 化，滯后相當明顯的時間，引起讀數(shù)誤差。因此，整體芯片溫度變化和固 定的或隨時間變化的溫度梯度均可能導致顯著的測量誤差。
熱傳感器的MEMS實施中出現(xiàn)的另一個問;HA，在熱阻擋體已被蝕刻 iiA^硅襯底的情況下，該熱阻擋體可能破裂或不完全的形成，或者在硅處 理階段，或者在參照前面附圖所述的加蓋工藝期間。在探針和終測時檢查 該阻擋體的一些手M于去除性能差的芯片是有用的。
如果許多溫度傳感器位于芯片區(qū)周圍，并且因此局部的溫度讀數(shù)用來 補償IR熱傳感器的測量值，那么該問題可以被顯著更好的管理。申請對 于用于輻射測量應用(即，其中需要實際的溫度測量值，而不是熱成像)的熱傳感器陣列是尤為重要的，其中芯片溫度梯度可能導致嚴重的溫度測 量誤差。
在本發(fā)明的該實施例中，我們^〉開了在系統(tǒng)內(nèi)，例如熱紅外線或微型 熱測量傳感器或成像系統(tǒng)，一組分布式的溫度感應點在和不在熱阻擋體內(nèi) (即，在熱阻擋體的任一側(cè))，如果存在的話。這些溫度感應點可以以許
多方式制成，但是有利地，它們使用PN結(jié)制成，PN結(jié)隨后由所屬領(lǐng)域技 術(shù)人員眾所周知的電路驅(qū)動。圖14示出了該布置可能看起來如何。對于 參照前面附圖描述的元件4吏用相同的附圖標記。
如圖14中所示，提供多個單個的芯片溫度傳感器1400，并且在芯片 四周布置。從圖14中觀察到，多個單個的IR傳感器105，類似于前述那 些，提供在由溝槽1205、 1210定義的熱阻擋區(qū)1410內(nèi)。芯片溫度傳感器 1400提供在該熱阻擋區(qū)內(nèi)以監(jiān)視該區(qū)域內(nèi)的芯片溫度。附加的芯片溫度 傳感器^^在該熱阻擋區(qū)1410外面。為了檢測由溝槽布置形成的熱阻擋 的完整性，這些溫度感應裝置1400與已知的熱負載源例如電阻器1215 組合。在某些實施例中，熱負載的功能可以與已知的TCR電阻器組合在單 個單元中，從而組合加熱和溫度感應的功能來使空間使用最小化?；蛘撸?加熱器也可以簡單地為芯片上的已知熱源，例如附近的高電流區(qū)域如放大 器的輸入級。陣列溫度傳感器也可以用來實現(xiàn)相同的功能，即對于已知的 電路條件(其中對于熱隔離阻擋體外部的熱源是可獲得的)，傳感器的內(nèi) 部陣列將呈現(xiàn)特定的溫度測量圖案。從此曾經(jīng)的特征的任何偏離，將指出 熱阻擋體的缺陷.
當自始至終地施加已知的熱負載時，可以在阻擋體的任一側(cè)上測量電 阻器的溫度以確保其完整性。這些溫度差異將是任何給定的系統(tǒng)以及它被 放置在內(nèi)部的封裝的特征。阻擋體中的任何缺陷或錯誤(例如由某些外來 材料橋接了熱隔離溝槽)會導致溫度的差異小于預期。
為了幫助改善熱傳感器測量結(jié)果的準確度，芯片溫度測量裝置1400 需要分布在熱阻擋體內(nèi)并圍繞芯片，從而可以知道臨近各個傳感器象素的 芯片的局部的、隨時間變化的溫度測量值以及跨過芯片的梯度。然后用戶 可以選擇求得測量過程中的平均芯片溫度測量值(所有讀數(shù)求平均)，或 者在經(jīng)歷劇烈的熱場溫度差別(空間地或時間地)的應用中，局部溫度讀 數(shù)可以用來改善任何單個象素的溫度測量準確度。
圖15到17示出了用于小陣列的分布式溫度傳感器。可以采用放置多種溫度傳感器的策略。如圖15中所示，溫度傳感器1400可以置于該小型 3x3象素陣列1500的所有角上。這給出了芯片溫度"圖"的詳細知識， 但是就使用的面積以及需要用于連接所有傳感器的線來看是昂貴的。圖 16示出了替代的情況，對于該尺寸的陣列，所有外部的角和所有4個內(nèi) 部的角有溫度傳感器1400。這給予每個象素2個傳感器和中心象素4個 傳感器，這可能在要求陣列中特定象素最高準確度的某些應用中是有利 的。圖17示出了僅4個內(nèi)部角有溫度傳感器的最小覆蓋情況。在該情況 下，每個象素有至少一個溫度傳感器，某些具有兩個，并且中心象素再次 具有4個傳感器。該分布在熱阻擋體缺陷的檢測中可能效果差(取決于陣 列的尺寸和/或熱阻擋體內(nèi)部面積)，因為傳感器遠離阻擋體布置。從圖 15到17的不同實例應當理解的是，不同的應用將需要芯片溫度傳感器的 其他分布。而且，要理解的是，各個芯片溫度傳感器的分布可以要求芯片 溫度傳感器的一些位于傳感器蓋的下方，而其他的位于蓋的外面。
要理解的是，如由本發(fā)明所提供的布置提供了超過現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)的許 多優(yōu)點。當前在熱輻射測量系統(tǒng)中的實踐是利用設置成密切熱接觸的或靠 近傳感器封裝的外部溫度傳感器來測量芯片溫度。該周圍溫度測量單元通 常安裝在相同的PCB上，或者可以安裝成與熱輻射測量傳感器或陣列物理 接觸。 一些傳感器和陣列將具有物理地布置在相同芯片上的傳感器，但是 從沒有芯片溫度傳感器陣列已經(jīng)被使用過。如果4吏用用來構(gòu)建有源溫度傳 感器的已知電M術(shù)來制造芯片溫度傳感器，那么用戶將接觸到預校準的 芯片溫度信息的詳情，不需^承擔該^的大量校準。
使用位于封裝外部的附加傳感器感應芯片溫度引起了實際陣列溫度 與周圍或PCB溫度之間顯著的熱滯。這導致對于許多應用不可接受的長時 間段的不準確讀數(shù)。這里揭示的方案提供了好得多的芯片溫度測量方法， 而5殳有"^熱滯。
要理解的是，這里所述的傳感器已經(jīng)參照示范性的實施例進行了說 明。要理解的是，任何一個實施例的特征可以與另一實施例的特征一起使 用，或者的確能夠獨立于另一實施例的結(jié)構(gòu)特征而應用。對于這些傳感器 的應用可以是在多個環(huán)境中，例如IR到數(shù)字轉(zhuǎn)換器，單個象素和陣列均 可。另外的應用包括單點熱測量系統(tǒng)，例如數(shù)字溫度計，闖入報警器，人 計數(shù)傳感器，以及至熱圖象場景的進入紅外線相機。回顧前面給出的教導， 本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員容易明白這些和其他應用。因此，雖然已經(jīng)參見優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了說明，但是要理解的是，不是想要以任何方式限制 本發(fā)明，除了根據(jù)附加的權(quán)利要求可以認為是必要的。
詞語上、下、內(nèi)和外是用來方便解釋以便于說明示范的說明性實施例， 并且不是想要將本發(fā)明限定到任何一個方向。類似地，當在本說明書中使 用時，詞語包括/包含是明確說明所述特征、整體、步驟或組件的存在， 而不是排除一個或多個其他特征、整體、步驟、組件或它們的組的存在。 而且雖然已經(jīng)參照具體的實施例對本發(fā)明進行了說明，但是不是想要以任 何方式限制本發(fā)明，除了根據(jù)附加的權(quán)利要求可以認為是必要的，并且在 不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對于所述的實施例進行許多修 改和變形。
權(quán)利要求
1、一種制造在半導體襯底上的電路，該電路包括熱輻射敏感的第一和第二電子元件，每個電子元件提供對電路的總輸出有作用的輸出，其中所述電子元件共同位于與第一襯底熱隔離的第一區(qū)域上。
2、 權(quán)利要求l的電路，其中第一區(qū)域形成在第一襯底中。
3、 權(quán)利要求l的電路，其中第一區(qū)域形成在第一襯底上。
4、 權(quán)利要求l的電路，其中通過在第一區(qū)域下方提供排空的腔使第 一區(qū)域與第一襯底熱隔離。
5、 權(quán)利要求l的電路，其中通過在第一區(qū)域和其下面的襯底之間提 供絕緣層使第 一 區(qū)域與第 一襯底熱隔離。
6、 權(quán)利要求l的電路，其中第一區(qū)域相對于襯底是懸置的。
7、 權(quán)利要求l的電路，其中第一區(qū)域提供實質(zhì)上等溫的結(jié)構(gòu)。
8、 權(quán)利要求l的電路，其中第一區(qū)域在一個以上邊緣部分處耦合到 襯底。
9、 權(quán)利要求8的電路，其中第一區(qū)域設置為臺，所述電子元件形成 在其上表面上，通過提供一個以上臂使所述臺相對于襯底被支撐，所述臂 提供在所述臺的邊緣部分。
10、 權(quán)利要求l的電路，其中所述電子元件為電阻性元件。
11、 權(quán)利要求l的電路，其被構(gòu)造成熱傳感器，第一和第二電子元件 的每個拔:供指示由該元件感應的溫度的輸出。
12、 權(quán)利要求ll的電路，其中所述傳感器為熱輻射傳感器，第一和 第二電子元件的每個提供指示入射在該元件上的輻射的輸出。
13、 權(quán)利要求ll的電路，還包括熱敏感的第三和第四電子元件，第 三和第四元件共同位于第二熱隔離區(qū)上。
14、 權(quán)利要求13的電路，其中所述電子元件以電橋結(jié)構(gòu)布置。
15、 權(quán)利要求14的電路，其中所述電橋結(jié)構(gòu)的各個臂由笫一、第二、 第三和第四電子元件各自提供。
16、 權(quán)利要求15的電路，其中在各熱隔離區(qū)上的每個元件向相應結(jié)構(gòu)上的另外的元件提供互補輸出。
17、 一種熱傳感器，包括如權(quán)利要求l的電路。
18、 一種制造在半導體襯底上的熱傳感器，所述傳感器包括a) 第一溫度感應元件，具有第一和第二輻射感應元件并且提供對所述 熱傳感器的總輸出有作用的輸出；以及b) 第二溫度感應元件，具有第一和第二輻射感應元件并且提供對所述 熱傳感器的總輸出有作用的輸出，其中第一和第二溫度感應元件位于第一和第二區(qū)上，所述第一和第二 區(qū)與第一襯底熱隔離。
19、 權(quán)利要求18的傳感器，還包括形成在第二襯底中的第一和第二 蓋，第一和第二襯底彼此相對地布置以使得第一和第二溫度感應元件的每 個具有提供于其上方的相應的蓋，其中用于第 一溫度感應元件的蓋允許通 過該蓋并到達該感應元件上的入射輻射的傳導，以及用于第二溫度感應元 件的蓋阻擋至少一部分輻射透射通過該蓋并到達第二溫度感應元件上。
20、 權(quán)利要求19的傳感器，其中用于第一溫度感應元件的蓋包括構(gòu) 造成提供入射輻射到第 一溫度感應元件上的聚焦的光學元件。
21、 權(quán)利要求19的傳感器，其中用于第二溫度感應元件的蓋包括反 射入射在該蓋上的輻射的>^射涂層。
22、 權(quán)利要求19的傳感器，其中用于第二溫度感應元件的蓋包括光 學不透明涂層，從而防止輻射通過該蓋并到達第二溫度感應元件上的傳 導。
23、 如權(quán)利要求19的傳感器，其中第一和第二襯底彼此相對的布置 在每個蓋和它們相應的溫度感應元件之間限定腔。
24、 如權(quán)利要求23中的傳感器，其中用于第一和第二溫度感應元件 的各腔彼此成流體連通。
25、 如權(quán)利要求23中的傳感器，其中用于第一和第二溫度感應元件 的每個腔與用于第一和第二溫度感應元件的另外的腔隔離。
26、 如權(quán)利要求19中的傳感器，其中第一和第二襯底由硅提供。
27、 如權(quán)利要求18中的傳感器，其中第一和第二溫度感應元件為紅外線感應元件。
28、 如權(quán)利要求20中的傳感器，其中至少一個光學元件為衍射光學 元件。
29、 如權(quán)利要求20中的傳感器，其中至少一個光學元件為折射光學 元件。
30、 如權(quán)利要求23中的傳感器，其中所述腔內(nèi)的環(huán)境條件和成分能 被指定。
31、 如權(quán)利要求30中的傳感器，其中所述腔設置在比周圍壓力低的 壓力下。
32、 如權(quán)利要求30中的傳感器，其中所述腔填有為了所述傳感器要 被使用的應用而選擇的氣體成分。
33、 如權(quán)利要求32中的傳感器，其中所述氣體成分包括具有比氮的 熱導率低的熱導率的氣體。
34、 如權(quán)利要求20中的傳感器，其中所述光學元件形成在所述蓋的 內(nèi)表面中、臨近形成在第一溫度感應元件之上的室。
35、 如權(quán)利要求20中的傳感器，其中所述光學元件形成在所述蓋的 外表面中、遠離形成在第一溫度感應元件之上的室。
36、 如權(quán)利要求20中的傳感器，其中在用于第一溫度感應元件的蓋 的內(nèi)表面和外表面中都形成有光學元件，所述光學元件的組合形成復合透 鏡。
37、 如權(quán)利要求20中的傳感器，其中形成有多個第一溫度感應元件 并且所述光學元件構(gòu)造為把特定波長的輻射選擇性地引導到所述多個第 一溫度感應元件的預先選定的溫度感應元件。
38、 如權(quán)利要求19中的傳感器，其中用于第一和第二溫度感應元件 的蓋形成在相同的第二襯底中，所述傳感器附加地包括位于第二襯底之上 的外蓋，該蓋包括光學元件。
39、 如權(quán)利要求19中的傳感器，其中在布置第一和第二襯底的每個 與另一個彼此相對時，每個蓋通過側(cè)壁形成，所述側(cè)壁從第一襯底向上延 伸并支撐其間的頂部，該頂部在實質(zhì)上平行于溫度感應元件的平面中。
40、 如權(quán)利要求39中的傳感器，其中第一和第二溫度感應元件的每個與另 一個彼此相鄰，提供在其上方的蓋共享從所述頂部向下延伸的共用 中心柱，從而限定用于第一和第二溫度感應元件各自的室。
41、如權(quán)利要求40中的傳感器，其中用于第二溫度感應元件的室被 處理，以防止穿過該蓋并到達第二溫度傳感器元件上的輻射的傳導。
42、如權(quán)利要求41中的傳感器，其中所述處理包括所述室的側(cè)壁的
43、 如權(quán)利要求41中的傳感器，其中所述處理包括在用于第二溫度 感應元件的蓋的頂部上施加>^射涂層。
44、 如權(quán)利要求40中的傳感器，其中所述中心柱不完全地從所述頂 部向第一襯底延伸，從而在所逸柱的下表面和第一襯底的上表面之間限定 縫隙。
45、 如權(quán)利要求44中的傳感器，其中所述縫隙的寬度可與被感應的 入射輻射的波"M目比。
46、 如權(quán)利要求44中的傳感器，其中所述縫隙的供給允許在用于第 一和第二傳感器元件的室之間壓力均衡。
47、 如權(quán)利要求18中的傳感器，其中第一和第二溫度感應元件的每 個提供為熱輻射測量儀。
48、 如權(quán)利要求18中的傳感器，其中第一和第二溫度感應元件每個 的至少 一部分懸置在被限定在第 一襯底中的腔上方，懸置的范圍限定了形 成第一和第二區(qū)的熱絕緣臺，所述腔提供了溫度感應元件和襯底之間的熱
49、 如權(quán)利要求18中的傳感器，其中第一和第二感應元件以惠斯通 電橋結(jié)構(gòu)布置。
50、 如權(quán)利要求49中的傳感器，其中所述惠斯通電橋結(jié)構(gòu)由具有第 一對電阻性元件的第 一溫度感應元件和具有第二對電阻性元件的第二溫 度感應元件提供，來自每對的電阻器定義惠斯通電橋的相對的臂。
51、 如權(quán)利要求50中的傳感器，其中在惠斯通電橋的相對的臂上的 各電阻器共同位于專用的熱隔離臺上。
52、 如權(quán)利要求51中的傳感器，其中所述熱隔離臺使用微電子機械 技術(shù)制造。
53、 如權(quán)利要求18中的傳感器，其中第一襯底包括位于所述傳感器 外面的溝槽布置，所述溝槽布置提供所述傳感器和第一襯底上其他元件之 間的熱絕緣。
54、 如權(quán)利要求53中的傳感器，其中所述溝槽布置包括在第一襯底 中蝕刻的兩個相鄰溝槽，兩個溝槽的每個由熱絕緣材料填充并且由具有與 所述溝槽的導熱率不同的導熱率的中間區(qū)彼此隔開。
55、 如權(quán)利要求54中的傳感器，其中所述溝槽布置位于所述傳感器 周圍，從而限定圍繞所述傳感器的熱阻擋體。
56、 如權(quán)利要求55中的傳感器，其中所述溝槽布置位于所述傳感器 和設置在第 一襯底上的熱源之間。
57、 如權(quán)利要求53中的傳感器，其中所述溝槽布置包括多個溝槽， 所述多個溝槽設置成由腔彼此隔離的成對的相鄰溝槽。
58、 如權(quán)利要求53中的傳感器，其中第一襯底包括掩埋的絕緣體上 硅層，并且形成溝槽布置的溝槽的深度被設置成延伸到該掩埋層。
59、 如權(quán)利要求57中的傳感器，其中所述腔在傳感器下方延伸。
60、 如權(quán)利要求18中的傳感器，還包括多個芯片溫度傳感器，所述 多個芯片溫度傳感器提供指示所述傳感器所在芯片的溫度的輸出。
61、 如權(quán)利要求60中的傳感器，其中所述多個芯片傳感器在所述芯 片周圍布置，以便給出多個輸出測量值，所述輸出測量值的每個與該芯片 溫度傳感器的位置處的溫度有關(guān)。
62、 一種傳感器陣列，包括多個傳感器，所述傳感器的每個具有工作 傳感器元件和參考傳感器元件，所述工作傳感器元件形成在第一襯底中的 熱隔離臺上且具有形成在第二襯底中的光學元件，第 一和第二村底構(gòu)造成 彼此相對以使得第二襯底形成在傳感器元件之上的蓋，所述光學元件構(gòu)造 成把所述蓋上的入射輻射引導到感應元件，所述參考傳感器元件也形成在 第一村底中的熱隔離臺中并且具有形成在第二襯底中的蓋，第一和第二襯 底構(gòu)造成彼此相對以使得所述蓋位于所述參考傳感器元件之上，該蓋用于 使所述參考傳感器元件從該蓋上的入射輻射的至少一部分被屏蔽，工作和 參考傳感器元件以電橋結(jié)構(gòu)布置。
63、 權(quán)利要求62的傳感器陣列，其中所述傳感器陣列的輸出限定圖象面。
64、 一種識別傳感器，構(gòu)造成提供對發(fā)熱體進行感應的信號，所述傳 感器包括第 一傳感器元件和第二傳感器元件，所述第 一傳感器元件構(gòu)造成 提供感應離所述傳感器第一距離的發(fā)熱體的信號，所述第二傳感器元件構(gòu) 造成提供感應離所述傳感器第二距離的對象的信號，第一和第二傳感器元 件的每個都包括位于形成在第一襯底上的熱絕緣臺上的至少一個感應元件以及形成在第二襯底中的至少 一個光學元件，第 一和第二襯底構(gòu)造成彼 此相對以使得第二襯底形成在所述至少 一個感應元件之上的蓋，所述至少 一個光學元件構(gòu)造成把所述蓋上的入射輻射引導到所述至少一個感應元 件。
65、 權(quán)利要求64的識別傳感器，其中所述對象為人的軀干。
66、 一種氣體分析儀，包括形成在第一村底中的至少一個傳感器元件 和形成在第二襯底中的至少一個光學元件，笫 一和第二襯底構(gòu)造成彼此相 對以使得第二襯底形成在所述至少一個傳感器元件之上的蓋，所述至少一 個光學元件構(gòu)造成把所述蓋上的入射輻射引導到所述至少 一個傳感器元 件，被引導的入射輻射具有指示特定氣體存在的波長，所述氣體分析儀包 括形成在第 一襯底中的至少 一個參考傳感器元件并且具有形成在第二襯 底中的用于所述至少一個參考傳感器元件的蓋，該蓋用于使所述參考傳感 器元件從該蓋上的入射輻射的至少一部分被屏蔽以使得所述參考傳感器 元件提供獨立于入射輻射強度的輸出，所述參考傳感器元件和所述傳感器 元件各自形成在被限定在第 一襯底中的各個熱隔離臺上并共同布置成電 橋結(jié)構(gòu)。
67、 權(quán)利要求66的氣體分析儀，包括多個傳感器元件和多個相關(guān)的 光學元件，組合的傳感器元件和光學元件的每個被構(gòu)造用于特定波長分 析，從而所述多個傳感器元件的輸出可以用來提供氣體波長特征鐠。
68、 一種形成傳感器的方法，該方法包括步驟在第一^I"底中形成至少一個傳感器元件和至少 一個參考傳感器元件，在所述傳感器元件每個的一部分下方蝕刻腔，以使所述傳感器元件與 其下方的襯底熱隔離，在第二襯底中形成光學元件和屏蔽蓋，將第 一和第二村底接合到 一起以使得第二襯底提供在所述傳感器元件之上的所述光學元件，所述光學元件構(gòu)造成把入射輻射引導到所述傳感 器元件上，并且第二襯底提供在所述參考傳感器之上的所^蔽蓋，所述 屏蔽蓋用于防止所述蓋上的入射輻射到所述參考傳感器元件上的傳導。
69、 權(quán)利要求68的方法，其中所述傳感器元件以電橋結(jié)構(gòu)布置。
70、 一種以半導體工藝制造的電磁傳感器，所述傳感器包括形成在第 一襯底中的第 一和第二感應元件，第一和第二襯底的每個具有限定于其上 方的相應的蓋，所述蓋形成在第二襯底中并且可安裝到第一村底上，其中 形成在笫一感應元件上方的蓋允許輻射通過該蓋到達該感應元件上的傳 導，形成在第二感應元件上方的蓋過濾通過該蓋到達該感應元件上的輻射 的至少一部分的傳導，從而相對于入射到第一感應元件上的輻射來減小入 射到第二感應元件上的輻射，第 一和第二感應元件的每個提供在第 一襯底 上的熱隔離臺上并且以電橋結(jié)構(gòu)彼此電耦合。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種熱傳感器，具有第一(1120，1125)和第二溫度感應元件，每個都形成在第一襯底(110)中的熱隔離臺(1100)上。
文檔編號G01J5/24GK101563590SQ200780046811
公開日2009年10月21日 申請日期2007年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月20日
發(fā)明者埃蒙·海因斯, 威廉·萊恩, 科林·格拉爾德·萊登 申請人:模擬裝置公司