專利名稱：具有熱阻擋體的熱傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器并尤其涉及形成在半導(dǎo)體村底中的熱傳感器。本發(fā) 明特別涉及如下的熱傳感器，其具有在傳感器和襯底上的熱源之間形成的 熱阻擋體，使得熱傳感器的輸出能夠與來自共同位于襯底上的熱源的任何 偽貢獻(xiàn)相隔離。
背景技術(shù)：
傳感器在所屬領(lǐng)域是眾所周知的。當(dāng)形成在例如珪或鍺的半導(dǎo)體材料
中時(shí)，這樣的傳感器可以提Wt為^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。通過使用例如硅 的材料，有可能通過蝕刻和其他半導(dǎo)體處理技術(shù)在晶片的一個(gè)或多個(gè)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，在傳感器上方提條護(hù)蓋是眾所周知的，蓋用來使傳感 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(dǎo)的熱傳感器來解決。這樣的傳感器 包括位于襯底中并在傳感器元件與可以共同位于相同的襯底上的任何假 熱源之間的熱阻擋體。
根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施例，因此本發(fā)明提供了根據(jù)權(quán)利要求l的傳感器。有 利的實(shí)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46 的傳感器陣列、根據(jù)權(quán)利要求52的氣體分析儀以及根據(jù)權(quán)利要求49的識(shí) 別傳感器。也提供了根據(jù)權(quán)利要求55的電磁傳感器。本發(fā)明還提供了根 據(jù)權(quán)利要求54的形成傳感器的方法。
本發(fā)明的這些和其他特征將通過參考示范性的實(shí)施例來理解，示范性的實(shí)施例參照下面的附圖進(jìn)行說明。


將參照附圖對本發(fā)明進(jìn)#^兌明，其中
圖1為用于實(shí)踐本發(fā)明的傳感器的"i兌明性實(shí)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1的傳感器的方法的實(shí)例；
圖4A為根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的可用于定義光學(xué)元件的第一圖案的實(shí)例；
圖4B為根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的可用于定義光學(xué)元件的第二圖案的實(shí)例；
圖4C為根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的可用于定義光學(xué)元件的第三圖案的實(shí)例；
圖5為示出了根據(jù)本發(fā)明說明性實(shí)施例的包括多個(gè)傳感器元件的傳 感器實(shí)例的平面示意圖6為根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的可用于定義適于與圖5中的多個(gè)傳感器元件 一^^吏用的光學(xué)元件的圖案的實(shí)例；
圖7為根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的復(fù)合傳感器的截面圖8示出了另一實(shí)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(shí)施例；
圖ll示出了在另一實(shí)施例的內(nèi)容中在熱絕緣臺(tái)上提，感器元件；
圖12示出了在另一實(shí)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《務(wù)改；
圖13示出了圖12的布置的另一^(務(wù)改；
圖14示出了在另一實(shí)施例的內(nèi)容中提供芯片溫>^傳感器；
圖15示出了圖14的芯片溫度傳感器的陣列的實(shí)例；
圖16示出了芯片溫度傳感器陣列的另一實(shí)例；以及
圖17示出了芯片溫度傳感器陣列的另一實(shí)例。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參照圖1至17的示范性實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行說明。雖然本發(fā) 明具有在任何電磁(EM)輻射感應(yīng)環(huán)境中的應(yīng)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(shí)施例進(jìn)行說明，其是硅晶片基的熱輻射傳感 器。雖然下文中所例舉的各個(gè)實(shí)施例都有可能彼此結(jié)合的使用，但M當(dāng)
理解，本發(fā)明不以這種限制的方式來解釋，因?yàn)橐粋€(gè)實(shí)施例的特征和組件 可以與另一個(gè)實(shí)施例的特征和組件一起使用，或者可以不一起使用。這樣，
本發(fā)明僅僅P艮制在根據(jù)附加權(quán)利要求認(rèn)為必要的范圍內(nèi)。
電磁輻射傳感器通常包括脆弱感應(yīng)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(fèi)用的影響)操作傳感器以避免損壞和成品率損失。 此外，對于腹基的熱輻射傳感器，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(dǎo)從吸收膜的熱量損失。最后， 雖然許多單點(diǎn)IR傳感器根本不使用聚焦透鏡，但是單點(diǎn)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€(gè)感應(yīng)點(diǎn)上，從而有效地放大信 號(hào)。在單點(diǎn)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4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 器陣列的像平面上產(chǎn)生該場景的聚焦圖像。
通過提供一種裝置和用于在晶片級(jí)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(fù)傳感器裝置的陣列)制it^一個(gè)晶片襯底上，并且蓋晶片制it4 分離的襯底上。在受控的周圍*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(shí)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(gè)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;f艮好地
進(jìn)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(yīng)元件105,或有時(shí)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(gè)衍射光學(xué)元件。實(shí)現(xiàn)該 衍射光學(xué)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(dǎo)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(shí)施例中，圖案提供在蓋的內(nèi)表面135上，但是要認(rèn)識(shí)到，它也 可以提供在外表面140上。也要認(rèn)識(shí)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(gè)脊150,脊的分隔距離和深度與光學(xué)元件使用 時(shí)光的波"M目關(guān)。蓋典型形成在第二硅晶片或蓋芯片中。在衍射光學(xué)元件 蓋115中定義的此圖案120能夠4吏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(diǎn)上，或?qū)⒉煌念l率聚焦到不同的點(diǎn) 上。使用接合或密封材料130將蓋115接合到第一晶片并且該接合定義了 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?？蛇x 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(dǎo)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(shí)質(zhì)上不透明的，并因此可以認(rèn)為它阻擋了光入 射在內(nèi)部的感應(yīng)元件上，但是要認(rèn)識(shí)到，硅允許EM頻譜的紅外線頻率的 光傳導(dǎo)，因此對于本申請，提供IR傳感器時(shí)，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(shí)例，從該實(shí)例將會(huì)看到，感應(yīng)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(gè)晶片襯底的每個(gè)上提供了所需的組件，那么可以將晶片放 在一起以便進(jìn)行接合(步驟320 )。理想地，在真空條件下實(shí)現(xiàn)該接合。 一旦兩個(gè)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(gè)芯片可以被分離或者在晶片的整個(gè)區(qū)域內(nèi)被定義(步驟330 )。這樣， 可以在一個(gè)工藝流程中提供多個(gè)單個(gè)芯片或傳感器。
要理解的是，定義光學(xué)元件的圖案的特性將影響傳感器如何運(yùn)行。圖 4示出了圖案類型的實(shí)例，其可以使用幅度調(diào)制或者相位調(diào)制的方法實(shí) 現(xiàn)，其可以用來在傳感器蓋中定義衍射光學(xué)器件。圖4A的實(shí)例對于相位 調(diào)制方法中利用衍射光學(xué)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(yuǎn)的焦面是最佳的。正弦曲線的相對高度由圖案 中的AJL變化表示，對于幅度調(diào)制方法，AJL將表示圖案的傳導(dǎo)效率。圖4B的實(shí)例是為了波長10微米的平行輸入光向下聚焦到370微米遠(yuǎn)的焦面 設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)相位調(diào)制的衍射光學(xué)元件的光柵。在圖4C中的實(shí)例也使用單 階高度變化來實(shí)現(xiàn)衍射光學(xué)元件，但是在這種情況下，其被設(shè)計(jì)成將波長 l(Vm的平行輸入光向下聚焦到IO微米遠(yuǎn)的焦面。需要理解的是，這三個(gè) 例子說明了可以使用的圖案類型，可是采用此方法時(shí)，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(dú)立控制的不同設(shè)計(jì)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(dǎo)圖案或者聚焦光線的相位調(diào)制圖案，但是遭受傳導(dǎo)中損失也被獲 得。然而應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，圖案的設(shè)計(jì)可以優(yōu)化以得到較低的損失標(biāo)準(zhǔn)，例如 在定義光柵的脊特征中引入彎曲的側(cè)墻，如圖4A的A;變圖所表示的。
由本發(fā)明提供的蓋在許多方面S一有利的。它用來l)在后續(xù)的操作 過程中保護(hù)膜，2)也提供在制造期間可被排空的用于感應(yīng)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(gè)點(diǎn)以放大信號(hào)或者聚焦到陣列上以產(chǎn)生場景的圖^象。特別地，該圖
案可以如此構(gòu)造以實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件(即，常規(guī)的折射或菲涅耳透鏡)或者在 優(yōu)選實(shí)施例中的衍射光學(xué)元件。本申請光學(xué)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(shí)現(xiàn)。在硅蓋中使用衍射光學(xué)器件所產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn)是透鏡可以在晶 片組級(jí)利用已很好確立的工藝進(jìn)行圖案化和蝕刻，并被接合到傳感器晶 片，導(dǎo)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(yīng)用于除這里所述的紅外應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)玻璃或可能的藍(lán) 寶石制成，如果傳感器要用于除IR傳感器之夕卜的其他應(yīng)用。
某些應(yīng)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《一有用的。圖5為一個(gè)這樣實(shí)例的示意 圖，其中在同一蓋布置內(nèi)提供四個(gè)感應(yīng)元件501、 502、 503、 504。要i人 識(shí)到，透鏡布置的適當(dāng)^1計(jì)可以考慮到傳感器的優(yōu)化，以聚焦一個(gè)特定的 波長而不聚焦(排斥)其他的。這會(huì)允許紅外線輻射中不同波長分量的個(gè) 別強(qiáng)度測量， 一種在例如氣體分析方面會(huì)非常有用的能力，例如在需要監(jiān) 測人呼吸中酒精水平的情況下的酒精呼吸取樣器。由于酒精在IR頻鐠中
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的特定一種上將4吏得能夠識(shí)別在那些特定頻率的輻射的任何強(qiáng)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(gè)構(gòu)造為對適合頻率的入射輻射起作用，因此當(dāng) 該輻射入射到各個(gè)傳感器上時(shí)，每個(gè)傳感器元件的性能分析表明了它被設(shè) 計(jì)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(xué)元件(DOE)設(shè)計(jì)的實(shí)例，其可 以與圖5中的傳感器布置相結(jié)合使用，以將入射輻射中的四個(gè)截然不同的 波長的每一個(gè)聚焦到圖5中所示的四個(gè)感應(yīng)元件501、 502、 503、 504的 一個(gè)上。該設(shè)計(jì)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(rèn)識(shí)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(gè)步驟或者其他變型的所有制造方法。
雖然沒有示出，但是要認(rèn)識(shí)到本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步修改成包括提 供在光學(xué)元件上方的第二透鏡布置，以便于產(chǎn)生復(fù)合透鏡的效果。該布置 可以適于例如增加放大率、擴(kuò)大可視范圍、增加的分辨率和改善的光學(xué)過 濾的應(yīng)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(rèn)識(shí)到，制造復(fù)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^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(yīng)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(dāng)前IR陣列沒 有如本發(fā)明設(shè)置的在低成本單元中集成的透鏡和傳感器陣列。當(dāng)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(jí)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(yīng)用是在要 求場深度分析的地方。通過適當(dāng)?shù)臉?gòu)造透鏡，有可能將來自兩個(gè)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(yīng)用可以包括用于例如安全 氣嚢部署配置的識(shí)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毫米的量級(jí)。例如當(dāng)目標(biāo)為 IO微米波長的輻射時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)。
已經(jīng)參照蝕刻工藝對本發(fā)明的傳感器的制造進(jìn)行了說明。典型地，該 蝕刻將為眾所周知的工藝類型如深M應(yīng)離子蝕刻(RIE),其固有地產(chǎn)生 實(shí)質(zhì)上垂直的側(cè)壁(大約90度)。該工藝的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)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(yīng)減少了在蓋邊緣下方以及周圍的"浪費(fèi)"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(yīng)裝置對根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的傳 感器進(jìn)行了說明。本發(fā)明也提供了某些實(shí)施例，用于也結(jié)合了感應(yīng)裝置的 第二單元的制造，其提供與第一單元的響應(yīng)不同的響應(yīng)。那么該第二單元 可以被看作參考單元，其與第一感應(yīng)單元的不同之處在于它的響應(yīng)可以結(jié) 合該感應(yīng)單元使用，以考慮到對感應(yīng)單元的響應(yīng)的識(shí)別。這樣的一個(gè)實(shí)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(yīng)用是有利的，那種情況下，參考 單元可以被除要被感應(yīng)的氣體外的、經(jīng)過與感應(yīng)側(cè)相同光學(xué)路徑的輻射所 照射。這將移除信號(hào)對于例如水蒸氣的假M(fèi)。另一實(shí)例是第二單元的光 學(xué)特性與第一單元的光學(xué)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(yīng)當(dāng)理解的是，第二單元被構(gòu)造成提 供與第一單元的響應(yīng)輸出不同的響應(yīng)輸出，通過改變用于提供參考或者校
準(zhǔn)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(yīng)變4匕。
典型的實(shí)施例將使用具有光學(xué)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笫一單元感應(yīng)的輻射水平的信 號(hào)輸出。圖8示出了該布置的實(shí)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(biāo)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 射水平的輸出的第二單元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(yīng)用，其如上所述地 能夠適當(dāng)?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(dá)傳感器105上的輻射傳導(dǎo)。這可通 過在單元上提供光學(xué)不透明層830來實(shí)現(xiàn)。第二單元因此可以被認(rèn)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(zhǔn) 第一單元的輸出，第一單元的信號(hào)輸出將由其上的入射輻射的強(qiáng)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(dǎo)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(xué)特性，熱特性 和電學(xué)特性與被照傳感器的特性相同。這樣，有可能準(zhǔn)確且精確地感應(yīng)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(gè)單元的布置為兩個(gè)不同單元的布置，每個(gè)分別形 成。如圖9中所示的替代布置，可以提供單個(gè)蓋900,蓋900被微;W^加 工以定義兩個(gè)腔或室905、 910，其中的一個(gè)905可位于被照元件之上以 及第二個(gè)910可位于不被照元件之上。兩個(gè)定義的區(qū)域的每個(gè)都具有IR 感應(yīng)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?dú)狻鍤?、氙?填充或者甚至簡單^1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(yīng)當(dāng)^L^射器，而非吸收器。如圖9中所示，密 封中的縫隙920可以留在各個(gè)蓋室之間，以允許各室中的壓力均衡，而不 依賴于整個(gè)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(gè)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(gè)室之間的縫隙920處。柱可以有涂層或被摻雜，以最小 化兩個(gè)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。 縫隙是典型6微米高的量級(jí)，其為被監(jiān)測IR輻射的波長的量級(jí)，從而， 不太可能任何輻射可以從被照腔通過該縫隙傳導(dǎo)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(shí)現(xiàn)暗腔的整體的所需進(jìn)一步 保證，從而允許壓力的均衡但是阻止了輻射的傳導(dǎo)。為了進(jìn)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^Ul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?fù)?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(shí)現(xiàn)IR的阻擋，因?yàn)榇_保 了它從腔被取走，而不是僅僅被彈回到另一區(qū)域(這將^^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(hào)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(dǎo)的傳感器布置給出了蓋使用高熱導(dǎo)率的 材料，從而確保兩個(gè)感應(yīng)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(jìn)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(xué)環(huán)境。這對于高靈^JL應(yīng)用中使用的傳感器 特別有用，在那種情況下，兩個(gè)傳感器(參考的和工作的)之間輸出的小 差異指示實(shí)際測量。
通過提供響應(yīng)特性不同的至少兩個(gè)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(yīng)特性的提供可以通過許多不同 方式中的任一種實(shí)現(xiàn)，例如通過修改光學(xué)響應(yīng)特性、電學(xué)特性、熱響應(yīng)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(xì)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(yīng)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(gè)裝置，但是要理解，該布置可以應(yīng)用于單個(gè)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4t的差值成比例
Vo=VDD [ (Rbol-Rbol，) / (Rbol+Rbo1，)]
以^U t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Ubol)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(hào)。雖然其他結(jié)構(gòu)的電橋是 可能的并且有時(shí)是需要的，但是由4個(gè)完全相同的電阻器(相同TCR,相 同熱導(dǎo)率和電容)制造出電橋，其中4個(gè)中的2個(gè)被M射輻射屏蔽而另 外的對于每個(gè)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(yīng)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(gè)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(yīng)用可以提供適合的信號(hào)響應(yīng)，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(shí)施例提供了這樣的布置，其改善了傳感器對于施加的 信號(hào)的響應(yīng)性。在該布置中，形成惠斯通電橋的相對臂的每對兩個(gè)電阻器 共同位于熱隔離臺(tái)上，從而確保它們每個(gè)都暴露在相同的熱環(huán)境。
如在圖ll的平面圖(圖11A)和截面圖(圖11B)所示(其示出了具 有兩個(gè)電阻器的單個(gè)臺(tái)的結(jié)構(gòu))，這樣的布置提供了熱隔離臺(tái)1100，其通 過在硅襯底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(tái)1100與下面的襯底絕緣。 可設(shè)置縫1115來使臺(tái)絕緣于在臺(tái)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(shí)施例中，第一 1120和第二 1125電阻器提供 在臺(tái)上。要認(rèn)識(shí)到，電阻器的實(shí)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(tái)上。兩個(gè)電阻器的每個(gè)都提供有接觸點(diǎn) 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(shí)施例中，雖然圖11示出了具有兩個(gè)電橋電阻器 (即惠斯通電橋的一對)的臺(tái)的形成，但是期望#*對電橋電阻器都置于 它們自己的臺(tái)上。這樣，電橋結(jié)構(gòu)的形成將需要兩個(gè)熱隔離臺(tái)，每個(gè)熱隔
離臺(tái)都期望使用MEMS制造技術(shù)形成?；菟雇姌虻南鄬Ρ凵系膬蓚€(gè)電阻 器共同位于相同的臺(tái)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(hào)。
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(tái)的結(jié)構(gòu)中)?？梢允褂酶鞣N吸收層，包括氮化硅層、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(hào)。
惠斯通電橋結(jié)構(gòu)有很多眾所周知的優(yōu)點(diǎn)。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(gè)被照電阻器 Rbol，的局部加熱。在該實(shí)施例中，通過布置兩個(gè)Rbol，單元在一個(gè)臺(tái)上并 且兩個(gè)Rbol單元在一個(gè)類似的臺(tái)上，獲得最大的可能信號(hào)。它們的結(jié)構(gòu) 確保了兩個(gè)臺(tái)的熱耦合差同時(shí)確保輻射敏感電阻器對是等溫的。雖然臺(tái)的 熱隔離對于高性能的裝置略微降低，但是臺(tái)的熱傳導(dǎo)性由臺(tái)臂的縱橫比 (aspect ratio)支配。因此，為了容納兩個(gè)電阻器而加寬臂將導(dǎo)致從臺(tái) 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(yīng)和傳感器響應(yīng)的時(shí)間常數(shù)，因此，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人 員根據(jù)與系統(tǒng)所需準(zhǔn)確度相對的響應(yīng)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(jìn)行說明，但是這種結(jié)構(gòu)的使用不是必 須的。例如，如果感應(yīng)電阻器由電流源的反向?qū)ζ?，那么可以^使用相同 的結(jié)構(gòu)并會(huì)產(chǎn)生相同的好處。其他從通過使兩個(gè)電阻性元件位于相同的熱 隔離臺(tái)上而產(chǎn)生熱等效環(huán)境的提供會(huì)獲益的應(yīng)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(yīng)元件，兩個(gè)電阻器結(jié)合提供 電路的響應(yīng)，并且重要的是兩個(gè)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(tái)，但是可以使用任何數(shù)量的臂，盡 管一般在機(jī)械穩(wěn)定性和臺(tái)的熱隔離度之間存在權(quán)衡。臂的對稱布置對于機(jī)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M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(tái)上并位于特定腔 內(nèi)。通過使用硅微機(jī)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(shè)為電阻器電橋布置。兩個(gè)腔905、 910的微;Wfe加工可產(chǎn)生 的結(jié)果是， 一個(gè)腔位于被照元件(Rbol，)上方，和另外一個(gè)位于不被照 元件(Rbol)上方。如圖9中所示，不被照的臺(tái)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(xué)和熱匹配(如果入射輻射被充分地阻擋 到達(dá)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(yīng))，。
雖然已經(jīng)參照將兩個(gè)電阻性元件提供在熱隔離臺(tái)上的優(yōu)選實(shí)施方式 對該實(shí)施例進(jìn)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(dǎo) 可獲得好處的類型。該教導(dǎo)可以被認(rèn)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(gè)熱敏電子元件。該熱隔離已經(jīng)參照在襯底中制造臺(tái) 的實(shí)施例進(jìn)行了說明，但是要理解的是，臺(tái)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(dú)立的臺(tái)，可以4C供該結(jié)構(gòu)。替代的實(shí)施方式 是，代替該犧牲層，提供具有高熱導(dǎo)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(yīng)。作為在要求高熱隔離度 的情形下在電子元件下面提供熱阻擋體的手段，這些和其他修改對所屬領(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(huì)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(shè)計(jì)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(zhǔn)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(zhǔn)溫度將被干擾并且將在
由傳感器測量的計(jì)算溫度中引起4m。
圖12示出了另一個(gè)實(shí)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(jì)。該實(shí)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(gè)，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(hào)，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(yán)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(zhǔn)溫度，并且進(jìn)行它們的內(nèi)部溫度 與襯底參考或者基準(zhǔn)溫度的比較?；鶞?zhǔn)溫度中的任何偏移或者不均勻分 布，無論是穩(wěn)態(tài)或是隨時(shí)間變化，都可能導(dǎo)lt&本上與所經(jīng)歷偏移成正比 的傳感器響應(yīng)的不準(zhǔn)確。
散熱的任何附近電^4Hl起功率耗^ib件周圍的局部溫升。該熱量以 根據(jù)所用材料的導(dǎo)熱率性能被很好地控制和理解的方式從元件導(dǎo)走。雖然 熱阻擋體可適用于此前描述的帶蓋傳感器的應(yīng)用，但是現(xiàn)在的描述沒有參 照這種加蓋。
本發(fā)明的該實(shí)施例給出了在熱源和傳感器或者敏感電路之間增加熱 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(biāo)記將用于此前參照圖l至11的任何一 個(gè)描述的部分。硅或者其他適合的晶片用作襯底iio。傳感器由任何適合
的方法形成(制造順序不重要)，接著兩個(gè)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(dāng)?shù)奶畛洳牧?205a、 1205b(例如，二氧化硅、氮化硅、多晶硅或它們 的任意組合)。兩個(gè)溝槽由此各形成具有第一熱導(dǎo)率的第一和第二區(qū)，并 且通過具有第二熱導(dǎo)率的中間區(qū)1220彼此分離。通過蝕刻兩個(gè)溝槽之間 的區(qū)域來形成空氣填充區(qū)，可以方1更地^1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(dāng)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^的臨時(shí)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(gè)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(dǎo)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(yīng)元件。該熱量被迫在有溝槽的和被蝕刻的區(qū)域 下方流動(dòng)，因此增加了熱源和感應(yīng)元件之間的有效熱阻。
增加的熱隔離水平可通過多個(gè)不同方式獲得，例如通過(1)使用多個(gè)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介質(zhì)層具有比半導(dǎo)體或金屬層低得多的熱 導(dǎo)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(gè)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，4吏得在傳感器下面的方向中優(yōu)先完成蝕刻。在傳感器下面提供此排空 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(dǎo)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(gè)工藝的制造工序的開始階段進(jìn)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?yàn)橛捎谒_放的頂部，它會(huì)被工藝殘留物 所填充，導(dǎo)致難以管理的缺陷水平。我們建i義的方法想要在工藝順序的末 端進(jìn)行，使用在工藝中任何點(diǎn)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(dǎo)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。要認(rèn)識(shí)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(shí)現(xiàn)，例如線軌跡 (wire track) 1235。根據(jù)這些傳感器應(yīng)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"^兌明了傳感 器，但是在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中也提供了供芯片溫度感應(yīng)的布置。該
布置如圖14-17所示。
該芯片感應(yīng)的設(shè)置提供了在圍繞芯片的多個(gè)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(bǔ)償明顯觀察到的溫度。這可以如下 進(jìn)行，在圍繞芯片的戰(zhàn)略性點(diǎn)處布置小的溫度測量裝置，例如感應(yīng)二極管 和/或晶體管，以及使用溫度傳感器電路來測量這些點(diǎn)溫度，向用戶提供 數(shù)據(jù)。當(dāng)與參考圖12和13的上述熱阻擋體結(jié)合使用時(shí)，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，任何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(dǎo)熱率性能被良好控制和理解的方式從元件導(dǎo) 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(dòng)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(gè)邊緣移動(dòng)到另一邊緣，如同對象通過觀測的區(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(dāng)明顯的時(shí)間，引起讀lt誤差。因此，整體芯片溫度變化和固 定的或隨時(shí)間變化的溫度梯度均可能導(dǎo)致顯著的測量誤差。
熱傳感器的MEMS實(shí)施中出現(xiàn)的另一個(gè)問^A，在熱阻擋體已被蝕刻 iiX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(shí)檢查 該阻擋體的一些手M于去除性能差的芯片^1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(bǔ)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(yīng)用(即，其中需要實(shí)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(dǎo)致嚴(yán)重的溫度測 量誤差。
在本發(fā)明的該實(shí)施例中，我們公開了在系統(tǒng)內(nèi)，例如熱紅外線或微型 熱測量傳感器或成4象系統(tǒng)，一組分布式的溫度感應(yīng)點(diǎn)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(yīng)點(diǎn)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(dòng)。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(biāo)記。
如圖14中所示，提供多個(gè)單個(gè)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(gè)單個(gè)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 傳感器提供在該熱阻擋區(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(yīng)裝置1400與已知的熱負(fù)載源例如電阻器1215 組合。在某些實(shí)施例中，熱負(fù)載的功能可以與已知的TCR電阻器組合在單 個(gè)單元中，從而組合加熱和溫度感應(yīng)的功能來使空間使用最小化?；蛘?， 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(jí)。陣列溫度傳感器也可以用來實(shí)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(dāng)自始至終M加已知的熱負(fù)載時(shí)，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(cuò)誤(例如由某些外來 材料橋接了熱隔離溝槽)會(huì)導(dǎo)致溫度的差異小于預(yù)期。
為了幫助改善熱傳感器測量結(jié)果的準(zhǔn)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(gè)傳感器象素的 芯片的局部的、隨時(shí)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(shí)間地)的應(yīng)用中，局部溫度讀 數(shù)可以用來改^何單個(gè)象素的溫度測量準(zhǔn)確度。
圖15到17示出了用于小陣列的分布式溫度傳感器?？梢圆捎梅胖枚?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(xì)知識(shí)， 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(gè)內(nèi) 部的角有溫度傳感器1400。這給予每個(gè)象素2個(gè)傳感器和中心象素4個(gè)傳感器，這可能在要求陣列中特定象素最高準(zhǔn)確度的某些應(yīng)用中是有利
的。圖17示出了僅4個(gè)內(nèi)部角有溫度傳感器的最小覆蓋情況。在該情況 下，每個(gè)象素有至少一個(gè)溫度傳感器，某些具有兩個(gè)，并且中心象素再次 具有4個(gè)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?yàn)閭鞲衅鬟h(yuǎn)離阻擋體布置。從圖 15到17的不同實(shí)例應(yīng)當(dāng)理解的是，不同的應(yīng)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(gè)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(diǎn)。當(dāng)前在熱輻射測量系統(tǒng)中的實(shí)踐是利用設(shè)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)祐J吏用過。如果使用用來構(gòu)建有源溫度傳 感器的已知電i^L術(shù)來制造芯片溫度傳感器，那么用戶將接觸到預(yù)校準(zhǔn)的 芯片溫度信息的詳情，不需要他承扭該M的大量校準(zhǔn)。
使用位于封裝外部的附加傳感器感應(yīng)芯片溫度引起了實(shí)際陣列溫度 與周圍或PCB溫度之間顯著的熱滯。這導(dǎo)致對于許多應(yīng)用不可接受的長時(shí) 間段的不準(zhǔn)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， 而沒有該熱滯。
要理解的是，這里所述的傳感器已經(jīng)參照示范性的實(shí)施例進(jìn)行了說 明。要理解的是，任何一個(gè)實(shí)施例的特征可以與另一實(shí)施例的特征一起使 用，或者的確能夠獨(dú)立于另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)特征而應(yīng)用。對于這些傳感器 的應(yīng)用可以是在多個(gè)環(huán)境中，例如IR到數(shù)字轉(zhuǎn)換器，單個(gè)象素和陣列均 可。另外的應(yīng)用包括單點(diǎn)熱測量系統(tǒng)，例如數(shù)字溫度計(jì)，闖入報(bào)警器，人 計(jì)數(shù)傳感器，以及至熱圖象場景的進(jìn)入紅外線相機(jī)?；仡櫱懊娼o出的教導(dǎo)， 本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員容易明白這些和其他應(yīng)用。因此，雖然已經(jīng)參見優(yōu)選 實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)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(rèn)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(shí)施例， 并且不是想要將本發(fā)明限定到任何一個(gè)方向。類似地，當(dāng)在本說明書中使 用時(shí)，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(gè)或多個(gè)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(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)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(rèn)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(shí)施例進(jìn)fr〖午多修 改和變形。
權(quán)利要求
1、一種熱傳感器，具有提供在第一襯底中的第一輻射感應(yīng)元件，所述輻射感應(yīng)元件提供指示該感應(yīng)元件上的入射輻射強(qiáng)度的輸出，所述傳感器還包括位于第一輻射感應(yīng)元件和共同位于相同的第一襯底上的熱源之間的熱阻擋體，所述熱阻擋體包括至少一組溝槽，每組具有由腔彼此隔開的至少第一和第二溝槽。
2、 如權(quán)利要求l中的傳感器，其中所述熱阻擋體的尺寸被形成為使 得其在實(shí)質(zhì)上與襯底的表面垂直的平面內(nèi)垂直延伸i^所述襯底。
3、 如權(quán)利要求l中的傳感器，其中所述腔為排空的腔。
4、 如權(quán)利要求l中的傳感器，其中所述腔由除了空氣之外的氣體填充。
5、 如權(quán)利要求l中的傳感器，其中所述腔的尺寸被形成為使得其在 第一輻射感應(yīng)元件下方延伸。
6、 如權(quán)利要求5中的傳感器，其中在第一輻射感應(yīng)元件周圍環(huán)狀地 布置溝槽并且所述腔在感應(yīng)元件下方完全地延伸。
7、 如權(quán)利要求l中的傳感器，其中所述襯底由絕緣體上硅晶片形成 并且所述熱阻擋體向下延伸以到達(dá)所述晶片的絕緣體部分。
8、 如權(quán)利要求l中的傳感器，還包括形成在第一襯底中的第二輻射 感應(yīng)元件和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 布置以使得第一和第二傳感器元件的每個(gè)具有提供于其上方的相應(yīng)的蓋， 其中用于第一傳感器元件的蓋允許通過該蓋并到達(dá)該傳感器元件上的入 射輻射的傳導(dǎo)，用于第二傳感器元件的蓋改變通過該蓋并到達(dá)第二傳感器 元件上的輻射的傳導(dǎo)，所述熱阻擋體在第二感應(yīng)元件和共同位于第一襯底 上的熱源之間提供附加的熱絕緣。
9、 如權(quán)利要求8中的傳感器，其中用于第一感應(yīng)元件的蓋包括構(gòu)造 用于提供入射輻射到第一感應(yīng)元件上的聚焦的光學(xué)元件。
10、 如權(quán)利要求8中的傳感器，其中用于第二感應(yīng)元件的蓋包括>^射 該蓋上入射的輻射的^Jt涂層。
11、 如權(quán)利要求8中的傳感器，其中用于第二感應(yīng)元件的蓋包括光學(xué) 不透明涂層，從而防止通過該蓋并到達(dá)第二感應(yīng)元件上的輻射的傳導(dǎo)。
12、 如權(quán)利要求8中的傳感器，其中第一和第二襯底彼此相對的布置 在每個(gè)蓋和它們相應(yīng)的感應(yīng)元件之間限定腔。
13、 如權(quán)利要求12中的傳感器，其中用于第一和第二感應(yīng)元件的各 腔彼此成流體連通。
14、 如權(quán)利要求12中的傳感器，其中用于第一和第二感應(yīng)元件的每 個(gè)腔與用于第一和第二感應(yīng)元件的另外的腔隔離。
15、 如權(quán)利要求8中的傳感器，其中第一和第二襯底由硅提供。
16、 如權(quán)利要求8中的傳感器，其中第一和第二感應(yīng)元件為紅外線傳 感器元件。
17、 如權(quán)利要求9中的傳感器，其中至少一個(gè)光學(xué)元件為衍射光學(xué)元件。
18、 如權(quán)利要求9中的傳感器，其中至少一個(gè)光學(xué)元件為折射光學(xué)元件。
19、 如權(quán)利要求12中的傳感器，其中所述腔內(nèi)的環(huán)境條件和成分能 夠被指定。
20、 如權(quán)利要求19中的傳感器，其中所述腔設(shè)置在低于周圍壓力的 壓力下。
21、 如權(quán)利要求19中的傳感器，其中所述腔填有為了傳感器要被使 用的應(yīng)用而選擇的氣體成分。
22、 如權(quán)利要求21中的傳感器，其中所述氣體成分包括具有比氮?dú)?的熱導(dǎo)率低的熱導(dǎo)率的氣體。
23、 如權(quán)利要求9中的傳感器，其中所述光學(xué)元件形成在所述蓋的內(nèi) 表面中、鄰近所述感應(yīng)元件。
24、 如權(quán)利要求9中的傳感器，其中所述光學(xué)元件形成在所述蓋的外 表面中、遠(yuǎn)離所述感應(yīng)元件。
25、 如權(quán)利要求9中的傳感器，其中，在用于第一感應(yīng)元件的蓋的內(nèi) 表面和外表面中都形成有光學(xué)元件，所述光學(xué)元件的組合形成復(fù)合透鏡。
26、 如權(quán)利要求9中的傳感器，其中形成有多個(gè)感應(yīng)元件并且所述光 學(xué)元件構(gòu)造成選擇性地引導(dǎo)特定波長的輻射到所述多個(gè)感應(yīng)元件的預(yù)先選定的感應(yīng)元件。
27、 如權(quán)利要求8中的傳感器，其中用于第一和第二元件的蓋形成在 相同的第二襯底中，所述傳感器附加地包括形成在第三襯底中的外蓋，第 三襯底位于第二襯底之上，形成在第三襯底中的蓋包括光學(xué)元件。
28、 如權(quán)利要求8中的傳感器，其中在布置第一和第二襯底的每個(gè)與 另一個(gè)彼此相對時(shí)，每個(gè)蓋利用側(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，該頂部位于實(shí)質(zhì)上平行于所述感應(yīng)元件的平面中。
29、 如權(quán)利要求28中的傳感器，其中第一和第二傳感器元件的每個(gè) 與另 一個(gè)彼此相鄰，提供在其上方的所述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感應(yīng)元件各自的室。
30、 如權(quán)利要求29中的傳感器，其中用于第二感應(yīng)元件的室被處理 以防止穿過蓋并到達(dá)第二感應(yīng)元件上的輻射的傳導(dǎo)。
31、 如權(quán)利要求30中的傳感器，其中所述處理包括所述室的側(cè)壁的 摻雜。
32、 如權(quán)利要求30中的傳感器，其中所述處理包括在用于第二感應(yīng) 元件的蓋的頂部上施加>^射涂層。
33、 如權(quán)利要求29中的傳感器，其中所述中心柱不完全i4^所述頂 部向第 一襯底延伸，從而在所述柱的下表面和第 一襯底的上表面之間限定 縫隙。
34、 如權(quán)利要求33中的傳感器，其中所述縫隙的寬度可與被感應(yīng)的 入射輻射的波"M目比。
35、 如權(quán)利要求33中的傳感器，其中所述縫隙的供給允許用于第一 和第二感應(yīng)元件的室之間壓力均衡。
36、 如權(quán)利要求8中的傳感器，其中第一和第二感應(yīng)元件的每個(gè)提供 為熱輻射測量儀。
37、 如權(quán)利要求8中的傳感器，其中第一和第二感應(yīng)元件中一個(gè)的至 少一部分懸置在被限定在第一襯底中的腔的上方，所述腔提供了第一襯底 和提供于其上方的熱輻射測量儀之間的熱絕緣。
38、 如權(quán)利要求27中的傳感器，其中第一和第二感應(yīng)元件布置成惠 斯通電橋結(jié)構(gòu)。
39、 如權(quán)利要求38中的傳感器，其中惠斯通電橋結(jié)構(gòu)由具有第一對 電阻器的第一感應(yīng)元件和具有第二對電阻器元件的第二感應(yīng)元件提供，來 自每對的電阻器定義惠斯通電橋的相對的臂。
40、 如權(quán)利要求39中的傳感器，其中在惠斯通電橋的相對的臂上的 各電阻器共同位于熱絕緣臺(tái)上。
41、 如權(quán)利要求40中的傳感器，其中所述熱絕緣臺(tái)使用微電子 技術(shù)制造。
42、 如權(quán)利要求l中的傳感器，其中形成所述熱阻擋體的溝槽每個(gè)由 熱絕緣材料填充。
43、 如權(quán)利要求l中的傳感器，還包括多個(gè)芯片溫度傳感器，所述多 個(gè)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。
44、 如權(quán)利要求43中的傳感器，其中所述多個(gè)芯片傳感器在所述芯 片周圍布置，以便給出多個(gè)輸出測量值，每個(gè)輸出測量值與該芯片溫度傳 感器的位置處的溫度有關(guān)。
45、 如權(quán)利要求44中的傳感器，其中所述多個(gè)芯片傳感器的至少一 部分位于所述熱阻擋體的相對的側(cè)，以便給出指示在所述熱阻擋體的每側(cè) 的襯底溫度的輸出測量值。
46、 一種傳感器陣列，包括多個(gè)傳感器，每個(gè)所述傳感器都具有工作 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 一襯底中且 具有形成在第二襯底中的光學(xué)元件，第 一和第二襯底構(gòu)造成彼jM目對以使 得第二襯底形成在所述傳感器元件之上的蓋，所述光學(xué)元件構(gòu)造成把在所 述蓋上的入射輻射引導(dǎo)到感應(yīng)元件，所述參考傳感器元件也形成在第一襯 底中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 從在該蓋上的入射輻射的至少一部分M蔽，其中襯底包括至少一個(gè)附加 的熱源，通過提供向下延伸到襯底內(nèi)并且位于所述熱源和所述多個(gè)傳感器 之間的熱阻擋體使得所述熱源與所述多個(gè)傳感器熱隔離。
47、 權(quán)利要求46的傳感器陣列，其中所述傳感器陣列的輸出限定了 圖象面。
48、 權(quán)利要求46的傳感器陣列，其中所述熱阻擋體包括至少一個(gè)溝 槽組，所述溝槽組具有由腔彼此隔開的至少第一和第二溝槽。
49、 一種識(shí)別傳感器，構(gòu)造成提供對發(fā)熱體進(jìn)行感應(yīng)的信號(hào)，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(yīng)離所述傳感器第 一距離的發(fā)熱體的信號(hào)，所述第二傳感器元件構(gòu) 造成提供感應(yīng)離所述傳感器第二距離的對象的信號(hào)，第一和第二傳感器元 件每個(gè)都包括形成在第 一襯底中的至少 一個(gè)感應(yīng)元件以及形成在第二襯 底中的至少一個(gè)光學(xué)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(gè)感應(yīng)元件之上的蓋，所述至少一個(gè)光學(xué)元件構(gòu)造成 把在所述蓋上的入射輻射？ 1導(dǎo)到所述至少一個(gè)傳感器元件，所述傳感器包 括將傳感器元件與提供有熱源的襯底熱絕緣的熱阻擋體，所述熱阻擋體包 括至少一個(gè)溝槽組，所述溝槽組具有由腔彼此隔開的向下延伸到襯底內(nèi)的 至少第一和第二溝槽。
50、 權(quán)利要求49的識(shí)別傳感器，其中第一和第二傳感器元件各自的 所述至少一個(gè)感應(yīng)元件形成在相同的襯底中。
51、 權(quán)利要求49的識(shí)別傳感器，其中所述對象為人的軀干。
52、 一種氣體分析儀，包括形成在第一襯底中的至少一個(gè)傳感器元件 和形成在第二襯底中的至少 一個(gè)光學(xué)元件，第 一和第二襯底構(gòu)造成彼此相 對以4吏得第二襯底形成在所述至少一個(gè)傳感器元件之上的蓋，所述至少一 個(gè)光學(xué)元件構(gòu)造成把在所述蓋上的入射輻射引導(dǎo)到所述至少一個(gè)傳感器 元件，被引導(dǎo)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(gè)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(gè)參考傳感器元件的蓋，該蓋用于使參考傳感器 元件從該蓋上的入射輻射被屏蔽，以使得參考傳感器元件提供獨(dú)立于入射 輻射強(qiáng)度的輸出，其中通過在所述分析儀和共同位于第一襯底上的熱源之 間提供熱阻擋體，使得所述分析儀熱絕緣于所述熱源，所述熱阻擋體包括 向下垂直延伸到第 一襯底內(nèi)的至少 一對溝槽。
53、 權(quán)利要求52的氣體分析儀，包括多個(gè)傳感器元件和多個(gè)相關(guān)的 光學(xué)元件，組合的傳感器元件和光學(xué)元件的每個(gè)被構(gòu)造用于特定波長分 析，以使得所述多個(gè)傳感器元件的輸出可用來提供氣體波長特征譜。
54、 一種形成傳感器的方法，該方法包括步驟 在第一襯底中形成至少一個(gè)傳感器元件和至少一個(gè)參考傳感器元件， 形成圍繞所述傳感器元件的熱阻擋體，該熱阻擋體用于使所述傳感器元件熱絕緣于共同位于第 一襯底上的其他熱源， 在第二襯底中形成光學(xué)元件和屏蔽蓋，將第 一和第二襯底接合到 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(xué)元件，所述光學(xué)元件構(gòu)造成引導(dǎo)入射輻射到達(dá)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i^^^，所述 屏蔽蓋用于防止在該蓋上的入射輻射的至少一部分傳導(dǎo)到所述參考傳感 器元件上。
55、 一種以半導(dǎo)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(yīng)元件，第 一和第二襯底的每個(gè)具有限定于其上 方的相應(yīng)的蓋，所述蓋形成在第二襯底中并且可安裝到第一襯底上，其中 形成在第一感應(yīng)元件之上的蓋允許通過該蓋到達(dá)該感應(yīng)元件上的輻射的 傳導(dǎo)，形成在第二感應(yīng)元件之上的蓋過濾通過該蓋到達(dá)該感應(yīng)元件上的輻 射的傳導(dǎo)，以使得相對于入射到第一感應(yīng)元件上的輻射來減小入射到第二 感應(yīng)元件上的輻射，并且所述傳感器提供在第一襯底上的熱隔離區(qū)內(nèi)，通 過在所述傳感器和共同位于第一襯底上的熱源之間設(shè)置至少一對溝槽來 提供隔離。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種傳感器元件(105)，形成在第一襯底(110)中并具有布置在傳感器元件和提供在第一襯底其他地方的熱源(1215)之間的熱阻擋體。該熱阻擋體包括在第一襯底(110)內(nèi)形成的至少一對溝槽(1205，1210)，該對溝槽的各個(gè)溝槽由腔(1220)隔開。
文檔編號(hào)H01L35/32GK101563592SQ200780046956
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 申請人:模擬裝置公司