CN111665211A - 气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及气体传感器。根据一个实施例，一种气体传感器包括：具有腔体的基底，腔体用于为具有中心波长λ0的已滤波IR(IR＝红外)辐射与腔体中的目标气体的交互提供光学交互路径，其中腔体对于包含目标气体组分的环境气体；被布置用于发射宽带IR辐射的热发射器，其中热发射器光学耦合到腔体；被布置用于滤波由热发射器发射的宽带IR辐射并且用于在腔体中提供中心波长为λ0的已滤波IR辐射的波长选择结构，其中波长选择元件光学耦合在热发射器与腔体之间，或者其中波长选择元件被形成为腔体的结合结构；以及被布置为基于已经穿过腔体中的光学交互路径并且被IR检测器接收的已滤波IR辐射的信号强度来提供检测器输出信号的IR检测器。
Description
技术领域
实施例总体上涉及传感器设备领域，并且更具体地涉及气体传感器领域。特别地，实施例涉及一种集成气体传感器，诸如集成的自由光束IR气体传感器(IR＝红外)。
背景技术
在例如移动设备内实现适当传感器时，在诸如智能家居等家庭自动化应用中，以及在例如汽车行业中，周围大气中的环境参数的检测变得越来越重要。然而，随着传感器的广泛使用，还特别需要能够尽可能便宜地生产这种传感器，从而具有成本效益。但是，仍然应当保持或甚至提高传感器的所得到的可靠性和准确性。
特别地，监测我们环境中的空气质量的领域越来越受到关注。典型的光学传感器包括光源、用于波长选择的滤波元件、检测器和样本区域，在该样本区域中，光源与检测器之间的光与环境介质交互。通常，这种传感器体积很大，并且由分立的子组件组装而成。
通常，在该领域中需要一种能够实现具有减少的制造要求并且为要由传感器设备检测的目标气体提供足够的灵敏度的改进的气体传感器的方法。
这种需求通过根据权利要求1的气体传感器可以得到解决。
此外，在从属权利要求中定义了气体传感器的具体实现。
发明内容
根据一个实施例，一种气体传感器包括：具有腔体的基底，该腔体用于为具有中心波长λ0的已滤波IR(IR＝红外)辐射与腔体中的目标气体的交互提供光学交互路径，其中腔体对于包括目标气体组分的环境气体是可进入的；被布置用于发射宽带IR辐射的热发射器，其中热发射器光学耦合到腔体；被布置用于滤波由热发射器发射的宽带IR辐射并且用于在腔体中提供具有中心波长λ0的已滤波IR辐射的波长选择结构，其中波长选择元件光学耦合在热发射器与腔体之间，或者其中波长选择元件被形成为腔体的结合结构；以及IR检测器，被布置为基于已经穿过腔体中的光学交互路径并且被IR检测器接收的已滤波IR辐射的信号强度来提供检测器输出信号。
根据另一实施例，一种气体传感器包括：具有腔体的基底，该腔体用于为IR(IR＝红外)辐射分量与腔体中的目标气体的交互提供光学交互路径，其中腔体对于包括目标气体的环境气体是可进入的；被布置用于发射具有IR(IR＝红外)辐射分量的宽带IR辐射的热发射器，其中热发射器光学耦合到腔体；IR检测器，被布置为基于已经穿过腔体中的光学交互路径并且被IR检测器接收的IR辐射分量的信号强度来提供检测器输出信号；以及被布置用于滤波由热发射器发射的宽带IR辐射的波长选择结构，其中波长选择元件光学耦合在腔体与IR检测器之间，以用于向IR检测器提供包括具有中心波长λ0的IR辐射分量的已滤波IR辐射。
附图说明
本文中参考附图描述本气体传感器的实施例。
图1A示出了根据一个实施例的集成气体传感器的示意性截面图；
图1B示出了处于分离状态(例如，在键合两个晶片之前)的顶部晶片和底部晶片的示意性截面图；
图2示出了根据另一实施例的集成气体传感器的示意性截面图；
图3A示出了根据另一实施例的集成气体传感器的示意性截面图；
图3B示出了处于分离状态(例如，在键合两个晶片之前)的顶部晶片和底部晶片的示意性截面图；
图4示出了根据另一实施例的集成气体传感器的示意性截面图；
图5示出了根据另一实施例的集成气体传感器的示意性截面图；
图6A-图F示出了根据其他实施例的用于提供光学交互路径的腔体的几何形状的不同的可能实现的示意性俯视图；
图7A-B示出了根据其他实施例的集成气体传感器的偏转结构的放大示意性截面图；
图8A示出了根据另一实施例的集成气体传感器的示意性截面图；
图8B示出了根据一个实施例的集成气体传感器的示意性3D视图以及尤其是集成气体传感器的腔体的几何形状；以及
图9A-I示出了根据一个实施例的用于制造集成气体传感器的方法的示意性3D视图(示意图快照)。
在使用附图进一步详细讨论本实施例之前，需要指出的是，在附图和说明书中，相同的元素以及具有相同功能和/或相同技术或物理效果的元素通常具有相同的附图标记或标识为相同的名称，以使得在不同实施例中对这些元件及其功能的描述可以相互交换，或者可以在不同实施例中彼此应用。
具体实施方式
在下面的描述中，将详细讨论实施例，然而，应当理解，实施例提供可以嵌入在各种各样的半导体器件中的很多适用概念。所讨论的特定实施例仅是制造和使用本概念的特定方式的说明，并且不限制实施例的范围。在下面的实施例的描述中，具有相同功能的相同或相似元素与相同的附图标记或名称相关联，并且将不会针对每个实施例重复对这些元件的描述。而且，除非另外特别指出，否则下文中描述的不同实施例的特征可以彼此组合。
应当理解，当一个元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，它可以直接连接或耦合到另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为直接“连接”或“耦合”到另一元件时，则没有中间元件。用于描述元件之间的关系的其他术语应当以类似的方式解释(例如，“在……之间”相对于“直接在……之间”、“相邻”相对于“直接相邻”以及“在……上”相对于“直接在……上”等)。
为了便于描述不同的实施例，附图包括笛卡尔坐标系x、y、z，其中xy平面对应于(即，平行于)半导体基底的第一主表面区域，并且其中竖直于第一主表面区域并且进入半导体基底的深度方向对应于“z”方向，即平行于z方向。在下面的描述中，术语“横向”是指平行于y方向的方向，其中术语“竖直”是指平行于z方向的方向。
图1A示出了根据一个实施例的用于感测环境气体或环境气体混合物(例如，空气)中的目标气体组分的量或浓度的集成气体传感器100的示意性截面图。在图1A中，绘图平面平行于xz平面。
集成气体传感器100包括具有腔体120的基底110，腔体120用于为具有中心波长λ0的已滤波IR(IR＝红外)辐射“R”与腔体120中的目标气体的交互提供光学交互路径120-1，其中腔体120对于包括目标气体组分的环境气体或环境气体混合物是可进入的。集成气体传感器100还包括被布置用于发射宽带或非相干IR辐射R0的热发射器130，其中热发射器130光学耦合到腔体120。
集成气体传感器100还包括被布置用于滤波由热发射器130发射的宽带IR辐射R0并且用于在腔体120中提供具有中心波长λ0的已滤波(＝窄带)IR辐射R的波长选择结构140。
根据一个实施例，波长选择元件140可以光学耦合在热发射器130与腔体120之间。因此，波长选择元件140可以包括例如光学带通滤波器结构。根据另一实施例，波长选择元件140可以被形成为腔体120的结合结构。因此，例如波长选择元件140可以包括腔体120的波长选择涂层或横向围绕腔体120的光子晶体结构。此外，例如，波长选择元件140可以包括以下中的至少两个的组合：在热发射器130与腔体120之间的光学带通滤波器结构、腔体120的波长选择涂层和横向围绕腔体120的光子晶体结构。
集成气体传感器100还包括IR检测器150，IR检测器150被布置为基于已经穿过腔体120中的光学交互路径120-1并且被IR检测器150接收或入射到IR检测器150的已滤波IR辐射R的信号强度来提供检测器输出信号SOUT。IR检测器150对具有中心波长λ0的已滤波IR(IR＝红外)辐射R敏感。
腔体120被布置为提供光学交互路径120-1的长度l120-1，长度l120-1明显大于已滤波IR辐射R的中心波长λ0(例如，为其至少100倍)。此外，腔体120的形成光学交互路径120-1的部分可以被配置为通过标准反射来引导具有中心波长λ0的已滤波IR辐射R。与全内反射相反，使用标准反射，这是波导中的机制。根据一个实施例，腔体120的内侧壁部分120-A……120-D可以至少部分包括对于具有中心波长λ0的已滤波IR辐射R具有高反射性的涂层。
在交互区域120-1中，目标组分吸收具有中心波长λ0的IR辐射R，其中如果具有中心波长λ0的IR辐射R落在目标气体组分的吸收光谱中，则吸收程度取决于环境气体中的目标气体组分的浓度或者是其量度。
根据一个实施例，基底110可以包括通向腔体120的至少一个进入孔或开口160，以提供具有目标气体组分的环境气体到腔体120的进入和/或交换。至少一个进入孔160可以包括多个进入孔160，或者可以在基底110中形成穿孔。
如图1A所示，光学交互路径120-1可以平行于或基本平行于腔体120的底部侧壁(＝第一主表面区域)120-A和顶部侧壁(＝第二主表面区域)120-B延伸，使得已滤波IR辐射R沿着或基本上沿着基底110的横向平面(平行于图1A的xy平面)被引导。
根据一个实施例，腔体120的底部侧壁120-A和顶部侧壁120-B可以沿着光学交互路径120-1彼此平行地延伸，以沿着光学交互路径120提供基本恒定高度h120的腔体120。腔体120的高度h120可以大于中心波长λ0，其中h120＞λ0，其中h120约为10至100μm。定义气体中的交互长度的腔体120的长度l120可以被气体吸收采用，并且在CO2的情况下可以对应于1-5mm的有效长度(对于4.26μm的吸收带)。腔体120的宽度w120(平行于图1A中的y方向)可以类似于其高度h120(或明显更大并且更复杂，在二维光学的情况下，包括具有聚焦和重聚焦结构170的区域)。最后，(多个)滤波器结构140内的层可以例如为0.15-2μm量级。
根据实施例，如果腔体120中的介质或气体可以被认为具有n＝1(或n≈1)的折射率，则具有中心波长λ0的已滤波IR辐射R沿着腔体120中的光学交互路径120-1传播。在腔体120中的介质或气体具有的折射率n≠1的情况下，已滤波IR辐射R具有所得到的中心波长λ0/n。
根据一个实施例，例如，除了耦合区域(例如，参见图7A)，气体传感器100的腔体120可以至少部分包括沿着光学交互路径120-1的竖直(例如，平行于图1A的xz平面和/或yz平面)侧壁120-C、120-D。
根据一个实施例，在与图1A的xy平面平行的剖视图中，气体传感器100的腔体120可以包括曲折形状或螺旋形状，以提供相应成形的光学交互路径120-1并且提供大于基底110的横向尺寸l101的光学交互路径120-1的所得到的长度l120-1。光学交互路径120-1的长度l120-1可以是基底110的横向尺寸l101的至少2倍、5倍或10倍。
如图1A所示，基底110可以包括彼此键合的第一部分基底(＝第一晶片)110-1和第二部分基底(＝第二晶片)110-2。第一部分基底110-1和第二部分基底110-2中的至少一个包括用于在键合的第一部分基底110-1和第二部分基底110-2之间提供腔体120的凹部。第一部分基底110-1和第二部分基底110-2中的至少一个包括用于向腔体120提供至少一个进入孔160的另外的凹部120。因此，第一部分基底110-1可以形成腔体120的盖，以用于沿着光学交互路径120-1提供光学闭合腔体120以传播具有中心波长λ0的已滤波IR辐射R。
如图1A所示，气体传感器100还可以包括在腔体120中的至少一个辐射引导元件170，例如反射镜和/或光栅，以用于将已滤波IR辐射R引导或耦合到光学交互路径120-1中和/或将已滤波IR辐射R聚焦到IR检测器150，例如在IR检测器150的辐射检测/敏感表面上。
根据一个实施例，IR发射器130可以包括导体(例如半导体带和/或金属带)，该导体具有用于在竖直于(正交于)主发射表面区域的平面的主辐射发射方向上发射宽带IR辐射R0的主发射表面区域。导体可以包括高掺杂半导体带，其中金属覆盖层至少部分覆盖半导体带的主发射表面区域。因此，半导体带可以包括高掺杂硅材料以形成黑体辐射器，并且可以被配置为在致动条件下具有在600至1000K之间的范围内的工作温度。IR发射器130可以连接到电源(图1A中未示出)，以用于提供电能作为致动信号以使IR发射器130处于致动状态以进行辐射发射。
在IR发射器130的主辐射发射方向相对于腔体120的横向延伸平面(例如，图1A的xy平面)成角度地偏移的情况下，气体传感器100可以包括为腔体120中的偏转结构形式的(多个)辐射引导元件170，以用于将已滤波IR辐射R偏转或引导到腔体120的光学交互路径120-1中。如图1A所示，IR发射器130的主辐射发射方向可以垂直于腔体120的横向延伸平面，并且因此(基本上)垂直于腔体120中的已滤波IR辐射R的光学交互路径120-1。
根据一个实施例，波长选择结构140可以被形成为具有窄透射带的光学带通滤波器结构，以用于提供具有中心波长λ0的已滤波IR辐射R。根据一个实施例，波长选择结构140可以包括以下中的至少一项：在IR发射器130与腔体120之间的滤波器结构、在腔体120的横向侧壁区域120-C、120-D中的光子晶体结构、和/或用于在腔体120中提供具有中心波长λ0的已滤波(窄带)IR辐射R的腔体120的内壁区域120-A……120-D的波长选择涂层。
如图1A所示，辐射R在其中透射以进入腔体120并且发射器位于其上的基底110的区域162、以及辐射R在其中透射以离开腔体120并且检测器150位于其上的基底110的区域164可以被形成为开口。如果发射器130和检测器150位于其上的区域162、164的基底材料是充分光学透明的，则不需要通过基底材料在发射器130和检测器150处将开口162、164提供给腔体120。
根据另一实施例，可以可选地布置另外的波长选择结构142以进一步滤波传播通过光学交互路径120-1并且被引导到IR检测器150的IR辐射R。另外的波长选择元件142可以光学耦合在腔体120与IR检测器150之间，以用于向IR检测器提供具有中心波长λ0的另外的滤波的窄带IR辐射R。另外的波长选择元件142例如可以包括光学带通滤波器结构。
根据一个实施例，IR检测器150可以包括电阻性温度传感器、热电温度传感器、压电温度传感器或pn结温度传感器，电阻性温度传感器、热电温度传感器、压电温度传感器或pn结温度传感器被配置为基于传播通过腔体120的光学交互路径120-1并且入射在IR检测器150上并且因此由IR检测器150感测的已滤波IR辐射R的信号强度来提供检测器输出信号SOUT。因此，IR检测器150可以被配置为感测入射的已滤波IR辐射R的强度。由于已滤波IR辐射R与腔体120中的目标气体组分的交互，入射的已滤波IR辐射R的强度是腔体120中的目标气体的浓度的量度。因此，可以从IR检测器150的输出信号SOUT得出气体传感器的周围环境中的目标气体的浓度。
图1b示出了处于分离状态的第一部分基底(顶部晶片)110-1和第二部分基底(底部晶片)110-2的示意性截面图，例如，在键合两个部分基底以实现键合基底110之前。第一部分基底110-1和第二部分基底110-2中的至少一个可以包括用于在键合的第一部分基底110-1和第二部分基底110-2之间提供腔体120的凹部。第一部分基底和第二部分基底110-1、110-2中的至少一个包括用于向腔体120提供至少一个进入孔160的另外的凹部120。因此，第一部分基底110-1可以形成腔体120的盖，以沿着光学交互路径120-1提供光学闭合腔体120以用于传播具有中心波长λ0的已滤波IR辐射R。
因此，腔体120可以经由晶片键合技术来实现。在这种情况下，第二部分基底(底部晶片)110-2可以包括可以例如借助于博世(Bosch)蚀刻工艺来生成的腔体、以及源或发射器结构130、以及检测器结构150。第一部分基底(顶部晶片)110-1竖直地布置在第二部分基底(底部晶片)110-2之上。第一部分基底(顶部晶片)110-1可以包括用于光偏转的光栅结构170，例如，实现为间距为2μm(或1至3μm)的50nm(或30至70nm之间)多晶硅高线。根据一个实施例，第一部分基底(顶部晶片)110-1还可以包括玻璃晶片，以便与第二部分基底(底部晶片)110-2进行阳极键合。在这种情况下，必须考虑在键合过程中的温度暴露，以避免损坏金属化区域。腔体120的区域或(多个)内壁可以例如使用金被金属化以确保反射率。
在实施例的当前描述中，具有相同结构和/或功能的相同或相似元素设置有相同的附图标记或名称，其中将不会针对每个实施例重复这些元素的详细描述。因此，关于图1A-图1B的以上描述同样适用于如下所述的其他实施例。在下面的描述中，详细讨论与图1A-图B所示的实施例的本质上的区别(例如，其他元素)以及由此产生的技术效果。
图2示出了根据另一实施例的集成气体传感器100'的示意性截面图。
如图2所示，集成气体传感器100'包括具有腔体120的基底110，腔体120用于为IR(IR＝红外)辐射分量与腔体120中的目标气体的交互提供光学交互路径120-1，其中腔体120对于包含目标气体组分的环境气体或环境气体混合物是可进入的。
集成气体传感器100还包括被布置用于发射具有IR辐射分量R的非相干IR辐射R0或宽带的热发射器130，其中热发射器130光学耦合到腔体120。
集成气体传感器100还包括IR检测器150，IR检测器150被布置为：基于已经穿过腔体120中的光学交互路径120-1(例如，作为宽带IR辐射R0的一部分)并且被IR检测器150接收、或者入射到IR检测器150的IR辐射分量R的信号强度来提供检测器输出信号SOUT。IR检测器150对具有中心波长λ0的IR(IR＝红外)辐射分量R敏感。
集成气体传感器100还包括波长选择结构142，波长选择结构142被布置用于滤波由热发射器130发射的宽带IR辐射R0，其中波长选择元件142光学耦合在腔体120与IR检测器150之间以向IR检测器150提供包括具有中心波长λ0的IR辐射分量的已滤波窄带IR辐射R。例如，波长选择元件142可以包括光学带通滤波器结构。
根据一个实施例，集成气体传感器100还可以包括另外的IR检测器152，另外的IR检测器152被布置为基于已经穿过腔体120中的光学交互路径120-1(例如，作为宽带IR辐射R0的一部分)并且被IR检测器接收或入射到IR检测器的另外的IR辐射分量R'的信号强度来提供检测器输出信号S'OUT。另外的IR检测器152对具有另外的中心波长λ1的另外的IR辐射分量R'敏感。
根据一个实施例，另外的波长选择结构144被布置用于滤波由热发射器130发射的宽带IR辐射R0，其中另外的波长选择元件144光学耦合在腔体120与另外的IR检测器152之间，以向另外的IR检测器152提供包括另外的具有中心波长λ1的另外的IR辐射分量R'的另外的已滤波窄带IR辐射R'。另外的波长选择元件142可以包括例如光学带通滤波器结构。
关于IR检测器150和波长选择结构140的结构和功能的以上描述同样适用于另外的IR检测器152和另外的波长选择结构142。
当比较如图1A所示的集成气体传感器100和如图2所示的集成气体传感器100'的实施例时，根据图1A的集成气体传感器100使用波长选择结构140来滤波由IR发射器130发射的宽带IR辐射R0、并且提供具有中心波长λ0的已滤波IR辐射R，该已滤波IR辐射R沿着腔体120中的光学交互路径120-1传播。
如图2所示的集成气体传感器100'可以使用沿着腔体120中的光学交互路径120-1传播的宽带IR辐射R0。宽带IR辐射R0可以包括用于与目标气体组分交互的具有中心波长λ0的IR辐射分量R。宽带IR辐射R0还可以包括用于与另外的目标气体分量交互的具有中心波长λ1的另外的IR辐射分量R'。波长选择结构142被布置为在离开腔体120时并且在到达IR检测器150之前滤波宽带IR辐射R0，使得IR检测器150接收具有中心波长λ0的IR辐射分量R。在两个检测器布置的可选情况下，另外的波长选择结构144被布置为在离开腔体120时并且在到达另外的IR检测器152之前滤波宽带IR辐射R0，使得另外的IR检测器152接收具有中心波长λ1的另外的IR辐射分量R'。
例如，如图2所示的集成气体传感器100'可以包括对不同的波长λ0、λ1敏感的多个检测器150、152。多个检测器中的每个检测器150、152可以包括专用的窄带滤波器140、142。提供多个检测器150、152可以提供第二波长λ1的参考信号，并且还可以潜在地用于通过并行检测几种目标气体的特征线来进行多气体感测。该概念也适用于两个以上的检测器。
因此，关于图1A-B的集成气体传感器100的其他元件和结构的以上描述同样适用于图2的集成气体传感器100'。请注意，附图没有按比例。实际上，腔体长度L120与其高度h120相比可以大得多，以确保显著的交互长度。
集成气体传感器100、100'的特性可以总结如下。
集成气体传感器100、100'可以用在消费电子产品中，例如，因为它可以通过较少的努力使用半导体技术实现。本概念提出了一种方案以将集成气体传感器100、100'的所有部分组合在单个集成设计中，这可以通过半导体技术实现，其中可以在单个芯片内实现全功能的光学气体传感器。集成(光学)气体传感器100、100'提供高选择性、高精度和快速响应时间。以芯片级大规模生产的传感器系统(片上系统)的形式实现集成气体传感器100、100'可以是消费类设备中的众多应用的基础。集成气体传感器100、100'还提供与CMOS兼容的微型红外(IR)吸收气体传感器，其中光学IR光谱技术具有高选择性和快速响应时间的潜力以可靠地监测环境中的空气质量。大型传感器网络中的集成或密集环境监测也可以是可能的应用。光学传感器可靠性的提高是汽车应用中的重要资产，例如用于监测CO2水平。
根据本概念，光学气体传感器100、100'包括IR源130、滤波器元件140、142、144、IR检测器150、152、以及在硅110中实现为腔体120的交互路径120-1，其中样本室120和光学路径120-1被实现为集成腔体120，其中光(例如，IR辐射)在晶片110的平面中被引导。例如，该腔体120可以经由晶片键合工艺生成并且可以任意地成形，以便在集成的小型IR吸收气体传感器100、100'中提供样本室120。以某种形式，该腔体120可以具有线性交互路径120-1，但是更一般地，可以实现“2D光学平台”，包括聚焦或甚至分散的光学元件170。基于本文中描述的设计，可以实现用于光吸收(IR辐射与目标气体的交互)的合理的路径长度为l120。同样，相对较大的腔体横截面(例如，与单模波导相比)将增加产量，并且有利于使用易于制造的热辐射器130作为辐射源。光学传感器100、100'的所有元件被包括并且可以基于硅基半导体技术来制造。
集成气体传感器100、100'的可能实现提供长腔体120，光R在该长腔体120中穿过并且气体可以进入该长腔体120并且与辐射R交互。热IR源130与滤波器结构140、142、144一起生成辐射R，该辐射R在腔体120的另一端处用合适的检测器150、152检测。例如，腔体120的内部是反射性的。光被耦合到腔体120中，这可以通过光栅170来实现。
为了实现完整的集成气体传感器100、100'，来自光源130的光R有效地入耦合，并且在与目标气体交互之后被引导到检测器150。典型的实现可以使用具有滤波器元件140、142的热辐射器130，例如在检测器150的前面或在发射器130的前面或两者。例如，通常基于复杂的薄层结构(例如，滤波器结构)的发射器130和滤波器140被制造成使得其在垂直于腔体120的方向上发射光R。本说明书示出了用于弯曲光束的不同解决方案，例如，基于可以通过各向异性蚀刻工艺实现的光栅结构。
集成气体传感器100、100'的本概念用作红外吸收传感器。结果，它提供高选择性、准确性和快速响应时间。此外，它是一种基本的非接触式测量方法。此外，集成气体传感器100、100'实现了到单个集成系统中的集成，这可以通过半导体技术生产。因此，通过使用自由光束方法，所得到的传感器100、100'可以实现为非常小并且可以批量生产。因此，所提出的概念将全场用于与介质的交互，并且此外，与单模波导(其中横截面必须在波长的数量级上)相比，腔体120的横截面要大得多。这将实现更高的光通量和更高的灵敏度，并且实现更短的交互路径长度。此外，这里的阻尼将比波导中的低。
集成气体传感器100、100'提供完全集成的NDIR(NDIR＝非分散红外)微型气体传感器，该传感器可以基于标准的Si半导体技术生产并且具有腔体120，腔体120大于光的波长并且(目标)气体可以穿透腔体120。这允许在芯片级实现集成的NDIR传感器。
在下文中，示例性地描述了集成气体传感器100、100'的很多不同的可能实现。在实施例的当前描述中，具有相同结构和/或功能的相同或相似元件设置有相同的附图标记或名称，其中将不会针对每个实施例重复这种元件的详细描述。
图3A示出了根据另一实施例的集成气体传感器100的示意性截面图。
如图3A所示，基底包括借助于结构化间隔元件110-3机械地键合在一起的第一部分基底110-1和第二部分基底110-2。结构化间隔元件110-3布置在第一部分基底110-1和第二部分基底110-2之间，以在机械地键合的第一部分基底110-1和第二部分基底110-2之间提供腔体120。结构化间隔元件110-3还可以布置在第一部分基底110-1与第二部分基底110-2之间，以向腔体120提供至少一个进入孔160。可选地，第一部分基底110-1和第二部分基底110-2中的至少一个可以包括至少一个进入孔160作为通向腔体120的气体通道。
图3B示出了处于分离状态(例如，在键合两个晶片(部分基底)110-1、110-2以实现键合基底110之前)的顶部晶片110-1和底部晶片110-2的示意性截面图。
根据集成气体传感器100，腔体120可以通过在第一部分基底110-1上提供(例如，沉积)结构化间隔元件110-3来形成，其中结构化间隔元件110-3形成腔体120的环绕壁。结构化间隔元件110-3的厚度h110-3可以大于20μm，或者可以在20至100μm之间。结构化间隔元件110-3的厚度h110-3对应于所得到的腔体120的高度h120。第二部分基底110-2可以包括源结构130和检测器结构150。
因此，腔体120可以经由晶片键合技术来实现。在这种情况下，第一部分基底110-1可以包括用于腔体120的凹部，该凹部可以通过在第一部分基底110-1上沉积结构化间隔元件110-3来生成。第二部分基底110-2可以包括源或发射器结构130和检测器结构150。第二部分基底(顶部晶片)110-2竖直地布置在第一部分基底(底部晶片)110-1之上。第一部分基底(顶部晶片)110-1可以包括用于光偏转的光栅结构170，例如，实现为间距为2μm(或1至3μm)的50nm(或30至70nm之间)多晶硅高线。
作为图1A的集成气体传感器100的备选方法，图2A的集成气体传感器100可以通过在第一部分基底110-1上(而不是通过深蚀刻工艺)沉积结构化间隔元件110-3作为腔体120的环绕壁来形成。
图4示出了根据另一实施例的集成气体传感器100、100′的示意性截面图。关于图3A-图B的集成气体传感器100的其他元件和结构的以上描述同样适用于图4的集成气体传感器100。
图4的集成气体传感器100还包括一对屏障元件或窗口元件180-1、180-2。屏障元件180-1、180-2可以被布置为限制和限定用于环境气体的样本室(或样本体积)120-1。因此，腔体路径120-1通过屏障元件180-1、180-2(例如，两个薄的Si“窗口”)被分段，以便限定填充有气体的样本室。屏障元件180-1、180-2之间的距离限定光学交互路径120-1(＝样本室)的所得到的长度l120-1。
屏障元件180-1、180-2对于已滤波辐射R或(多个)IR辐射分量R、R'可以是透明的。但是，屏障元件(例如，硅屏障)180-1、180-2可能引入一些反射光，但是，如果精心设计，还可以充当光学腔体，其可以用来增加电场并且结果增加与分析物的有效交互。
图5示出了根据另一实施例的集成气体传感器100、100′的示意性截面图。
如图5所示，基底110可以包括第一部分基底110-1和第二部分基底110-2，其中第一部分基底110-1包括凹部120，并且其中第二部分基底110-2被形成为覆盖第一部分基底110-1中的凹部120的穿孔膜结构。IR发射器130以及可选的波长选择结构140和IR检测器150被布置在第二部分基底110-2处。在第一部分基底110-1中并且由第二部分基底110-2覆盖的凹部120形成提供光学交互路径120-1的腔体120。IR发射器130以及可选的波长选择结构140和IR检测器150光学耦合到光学交互路径120-1。
如图5所示，第一部分基底110-1和第二部分基底110-2形成同一基底(单个晶片)110的不同部分。因此，集成气体传感器100、100'的腔体120可以通过使用牺牲材料在单个基底(单晶片)110中形成，其中可以使用用于制造MEMS元件或MEMS麦克风的工艺。
在图5的实施例中，腔体120可以借助于牺牲层(碳或二氧化硅)形成，该牺牲层覆盖有多晶硅层，该多晶硅层具有设置到牺牲层的进入开口160。腔体120通过去除牺牲层来形成，其中发射器130和检测器150可以布置在腔体120的横向相对侧上、腔体120的进入开口162处。如果发射器130和检测器150位于其上的基底材料在光学上足够透明，则不需要在检测器130和发射器150处通过基底材料提供通向腔体120的开口162。但是，通常提供开口。
图6A-图6F示出了根据其他实施例的用于提供集成气体传感器100、100'的光学交互路径120-1的腔体120的几何形状的不同的可能实现的示意性俯视图(平行于xy平面)。
根据本概念的实施例，集成光学气体传感器100、100'包括热发射器130、被实现为基底110(例如，硅基底)中的腔体120的交互路径120-1、IR检测器元件150和波长选择元件140、142。
根据本概念的实施例，用于光学路径120-1的腔体120将光R基本上在晶片110的平面(xy平面)中从源130引导到(多个)检测器150、152。环境气体可以穿透腔体120并且与辐射R交互。腔体120的横向尺寸应当明显大于波长λ0。因此，可以使用来自简单的热发射器130的非相干辐射R0，从而降低了系统(即，集成气体传感器100、100')的复杂性。
腔体120的内部或内表面120-A……120-D是高反射性的。例如，这可以使用内表面的反射性涂层或金属化(例如，使用金)来实现。
确保反射率的另一种可能的方法可以是在腔体120周围使用光子晶体结构。由于这样的结构不允许在与光学带隙相对应的特定波长处传播，因此这将辐射R限制在腔体120中，并且同时提供光谱滤波，因为所有其他波长都会丢失。
如果腔体的一些或全部表面涂覆有选择性的窄带反射性涂层，则也可以实现这种滤波效果。
腔体120还包括用于气体的特定通道160。腔体120可以具有竖直侧壁(除了耦合区域，请参阅下文)，并且通常具有大于光R的波长λ0的恒定高度h120。光R可以通过标准反射来引导(与波导中使用的全内反射形成对比)。腔体120的水平尺寸可以基本上任意地成形，这提供了用于在两个维度上优化光学路径120-1的手段，例如通过包括聚焦镜或其他光学元件或者通过实现曲折结构或螺旋线以增加有效路径长度来实现。这将允许实现“2D射线光学器件”，这表示可以在二个维度对光进行建模和控制并且通过反射将其限制在三个维度中。
图6A-图6F示出了“2D光学平台”的可能结构的示例性俯视图。
如图6a示例性地示出的，腔体120形成线性样本室120-1。产生线性腔体120的一种可能方式是在第一部分基底或晶片110-1中提供沟槽或凹部，例如通过蚀刻或通过沉积，并且然后将第一部分基底110-1与第二部分基底110-2进行晶片键合(其中发射器130和检测器150被集成)以产生关闭的腔体120。其他过程和其他几何形状也是可能的。同样，除了晶片键合之外的其他技术也可以用于制造腔体120，例如，基于在MEMS麦克风制造中使用的技术。
如图6B中示例性地示出的，腔体120形成曲折型交互路径120-1。
如图6C所示，线性腔体120被光子晶体140围绕。
如图6D中示例性地示出的，腔体120包括在腔体120中的偏转结构形式的辐射引导元件170，以用于在腔体120的光学交互路径120-1中偏转或引导IR辐射R，以提供以一定的水平放大率将光R准直和/或聚焦到检测器上。这实现了较小的源130。
如在图6E中示例性地示出的，腔体120包括光栅170的并入。光栅170可以允许IR辐射R的光谱分量的分离。
如图6F中示例性地示出的，腔体120包括椭圆形状。椭圆形腔体120允许从给定点基本上收集完整的光R，并且将光聚焦在检测器150上。
图7A-B示出了根据其他实施例的集成气体传感器100、100'的腔体120中的偏转结构或辐射引导元件170的放大示意性截面图。腔室120中布置有辐射引导元件170(例如，反射镜和/或光栅)，以用于将已滤波IR辐射R引导或耦合到光学交互路径120-1中和/或用于将已滤波IR辐射R聚焦到IR检测器150，例如在IR检测器150的辐射检测/敏感表面上。
热源或发射器可以用作光源130，其可以例如实现为导电区域，例如掺杂的硅材料或金属等，其通过施加电流作为激励信号而被加热。通常，在加热器130的前面有滤波器结构140，以便滤出用于与目标气体交互的适当波长λ0。光学带宽的调节也可以在检测器130的前面或在光束路径120-1中的其他地方进行。然而，直接在源130处滤波避免了不必要的辐射和腔体120的其余部分的过度加热。波长选择结构140可以被实现为滤波发射的辐射R0以及提供经引导的和光谱窄的辐射束R。在一些情况下，波长选择结构140被制造并且布置在基底(晶片)110的平面内，并且因此，辐射R将优选地在与腔体120的方向垂直的方向上发射。
因此，偏转结构170被布置为将光束(辐射R)偏转到光学交互路径120-1中。如图7A所示，偏转结构170可以借助于各向异性蚀刻工艺来实现，或者如图7B所示，可以通过使用光栅结构来实现。各向异性刻蚀工艺提供表面区域170，表面区域170具有倾斜角为例如54.7°(取决于半导体基底110的晶体取向)和与非闪耀光栅相比效率更高。然而，蚀刻的偏转结构170对腔体设计提出了挑战，因为难以确保腔体侧壁在所有方向上的竖直性。
备选地，偏转结构170可以借助于如图7B所示的光栅来实现。关于另外的偏转结构170的实现的类似考虑适用于检测部分，其中光R在通过腔体120之后可以被引导到检测器150。
因此，图7A-图7B示出了将发射的光R转动大约90°以便沿着光学路径120-1传播光R的可能方案。如图7A所示，提供了相对于x-y平面成54.7°角的偏转表面170，例如，借助于各向异性蚀刻工艺。如图7B所示，偏转结构170备选地以光栅的形式设置，以在限定方向上偏转光束R。
根据本概念的实施例，原则上可以使用基本上任何种类的检测器150，只要检测器150对IR波长λ0敏感。检测器的廉价实现是电阻器，例如以半导体的掺杂区域的形式，例如Si材料，其电阻在加热时会改变。“2D射线光学器件”的可能性使得能够使用非常小的源130和/或检测器150，因为变得可以收集和重新聚焦光(至少在二个维度)，这提供了大大提高的效率。量子检测器150可以提供高灵敏度。这同样适用于借助于量子发射器130(例如，量子级联激光器)的发射效率。
根据本概念的实施例，期望相对较高的吞吐量，这使得能够使用不太敏感和不太复杂的检测150和发射器130方案。
图8A示出了根据另一实施例的集成气体传感器100的示意性截面图。关于图1A-图1B的以上描述同样适用于如下所述的图8A的另一实施例，其中代替光栅形式的辐射引导元件170，图8A的集成气体传感器100使用例如借助于各向异性蚀刻工艺提供的与xy平面成54.7°角的偏转表面170(也参见图7A和相关描述)。如图8A所示，气体传感器100包括在腔体120中的辐射引导元件170(例如，实现为反射镜),以用于将已滤波IR辐射R引导或耦合到光学交互路径120-1中和/或将已滤波IR辐射R聚焦到IR检测器150，例如在IR检测器150的辐射检测/敏感表面上。
根据图8A的集成气体传感器100的实现，辐射R的耦合通过倾斜表面170来实现，该倾斜表面170例如可以使用Si(1，0，0)中的各向异性蚀刻来生成。第一部分基底110-1包括倾斜表面170，使得由加热器结构130发射的辐射R在反射之后倾斜大约90°。这可以借助于具有Si(1，0，0)材料(例如，Si(1，0，0)晶片)的第一部分基底110-1来实现。
然而，当考虑相对复杂的样本室120的设计(例如，拐角、曲折等)时，也有必要考虑所得到的影响和与竖直侧壁的偏离，这例如可以根据具体情况进行分析。然而，当与光栅方法相比时，期望借助于(多个)倾斜表面170的辐射R的入耦合/出耦合甚至更加有效(例如，参见图7B)。
图8B示出了根据一个实施例的集成气体传感器100的示意性3D视图以及尤其是集成气体传感器100的折叠腔体120的几何形状。
如图8B所示，可以通过在第一部分基底110-1和第二部分基底110-2的半导体材料中的各向异性蚀刻的沟槽来实现用于光束折叠的可能解决方案。
与简单的线性沟槽相比，各向异性蚀刻的方法对于使用更复杂的结构提出了挑战。例如，在用于腔体120的曲折结构的情况下，曲折结构的每一圈可以具有倾斜表面。这可以用于以下实现方法：底部晶片110-1和顶部晶片110-2仅具有平行沟槽，其中由于Si(1，0，0)取向，作为偏转结构170的端壁倾斜54.7°。晶片110-1、110-2正交对准，使得可以通过从下部晶片110-1中的沟槽到顶部晶片110-2中的沟槽反射光束来实现90°的水平旋转，例如在潜望镜中。
图9A-图9I示出了根据一个实施例的用于制造集成气体传感器100的方法200的示意性3D俯视图作为示意性快照(＝视图I)。
此外，图9A-图9I示出了根据一个实施例的在用于制造集成气体传感器100的方法200的步骤期间沿着截面线AA并且平行于xz平面的穿过相应中间器件的中心区域的示意性3D截面图(＝视图II、III)。
关于图9A-图9I所示的方法200，指出以下事实：该处理流程是如何制造集成气体传感器100的多种方式的一个示例，其中各种处理步骤可以以不同顺序执行或与附加的制造步骤/或结构化技术组合。
如图9A的步骤1所示，提供第一部分基底(平底部晶片)110-1。
在步骤2中，将光栅结构(偏转结构)170沉积到第一部分基底110-1的第一主表面区域110-1A。
在步骤3中，在第一部分基底110-1的第一主表面区域110-1A上生长限定腔体120的结构化间隔元件110-3。如步骤3所示，所生长的结构(即，结构化间隔元件110-3)还包括用于包括目标气体的环境气体的进入孔160。进入孔160例如横向地形成在所生长的结构110-3中。
在步骤4中，将金属化140沉积或施加到腔体120的暴露的表面区域。
步骤5另外示出了提供第二部分基底110-2(平的顶部晶片)。
在步骤6中，在第二部分基底110-2的第一主表面区域110-2A上沉积波长选择结构140，例如布拉格滤波器结构。
在步骤7中，在滤波器结构140上在第二部分基底110-2的第一主表面区域110-2A上形成(沉积)热发射器(加热器)130和IR检测器150。
在步骤8中，进行用于在部分基底110-2内提供腔体120的博世蚀刻工艺，其中进行暴露的腔区域120的背侧110-2B(＝第二部分基底110-2的第二主表面区域)的进一步金属化。步骤8仅在步骤8的图9H的内部(视图II和III)可见。
在步骤9中，进行晶片键合工艺以将第一部分基底110-1和第二部分基底110-2彼此键合，其中第一部分基底110-1和第二部分基底110-2中的至少一个包括用于在键合的第一部分基底110-1和第二部分基底110-1之间提供腔体120，并且向腔体120提供(多个)进入孔160的凹部。
实现示例可以基于晶片键合技术。还可以使用其他技术来产生腔体120，例如，基于MEMS麦克风技术。在这种情况下，不需要晶片键合步骤。
集成气体传感器100的基本概念是在基底材料110(例如，半导体材料，诸如硅、锗)中或者还可以在玻璃晶片或由二氧化硅材料制成的基底中形成腔体120，其中侧壁具有足够高的反射率，例如借助于(气相沉积的)镜层。诸如金、银、铝或反射性电介质材料等任何金属都可以用作用于至少部分覆盖腔体的侧壁的反射层的材料。除了使用牺牲材料的实施例，两个基底/晶片被连接以形成用于IR辐射/目标气体的交互的腔体120。
根据另一实施例，侧壁也可以借助于光子晶体来形成。
如果将进入孔160设置在覆盖层中作为穿孔(孔场)，诸如在背板(用于麦克风)中，则可以选择孔的尺寸，以使得它们有效地用作光子晶体，并且包括用于耦合到其中的IR辐射R的反射率。
在进行键合工艺(阳极键合)的实施例中，基底或基底材料必须适合于该键合工艺。
通常，在热源130处提供滤波器元件140，而在检测器150处可选地提供另外的滤波器元件142。两侧的滤波器元件140、142增加了对IR辐射R的选择性。腔体110的横向扩展l120在毫米至厘米的范围内，而腔体120的水平扩展(高度)h120在5至10μm或≤200μm的范围内或在亚毫米范围内。
描述了可以单独使用或与本文中描述的特征和功能结合使用的附加的实施例和方面。
根据一个实施例，一种气体传感器包括：具有腔体的基底，所述腔体用于为具有中心波长λ0的已滤波IR(IR＝红外)辐射与所述腔体中的目标气体的交互提供光学交互路径，其中所述腔体对于包含所述目标气体组分的环境气体是可进入的；热发射器，被布置用于发射宽带IR辐射，其中所述热发射器光学耦合到所述腔体；波长选择结构，被布置用于滤波由所述热发射器发射的所述宽带IR辐射，并且用于在所述腔体中提供所述具有中心波长λ0的已滤波IR辐射，其中所述波长选择元件光学耦合在所述热发射器与所述腔体之间，或者其中所述波长选择元件被形成为所述腔体的键合结构；IR检测器，被布置为基于已经穿过所述腔体中的所述光学交互路径并且被所述IR检测器接收的所述已滤波IR辐射的信号强度来提供检测器输出信号。
根据一个方面，所述腔体被布置为提供所述光学交互路径的长度，所述光学交互路径的长度为所述已滤波IR辐射的所述中心波长λ0的至少100倍，并且所述腔体的形成所述光学交互路径的部分被配置为通过标准反射来引导所述具有中心波长λ0的已滤波IR辐射。
根据另一方面，所述基底包括通向所述腔体的至少一个进入孔，以提供具有所述目标气体组分的所述环境气体通向所述腔体的通道。
根据另一方面，所述光学交互路径平行于所述腔体的底部侧壁和顶部侧壁延伸，使得所述已滤波IR辐射沿着所述基底的横向平面被引导。
根据另一方面，所述腔体的底部侧壁和顶部侧壁沿着所述光学交互路径彼此平行地延伸，以沿着所述光学交互路径提供大于所述中心波长λ0的所述腔体的恒定高度h。
根据另一方面，所述腔体包括沿着所述光学交互路径的竖直侧壁。
根据另一方面，所述腔体包括曲折形状或螺旋形状，以用于提供相应成形的光学交互路径并且用于提供大于所述基底的横向尺寸的所述光学交互路径的所得到的长度I。
根据另一方面，所述基底包括彼此键合的第一部分基底和第二部分基底，其中所述第一部分基底和所述第二部分基底中的至少一个包括用于在所述键合的第一部分基底和第二部分基底之间提供所述腔体的凹部。
根据另一方面，所述气体传感器还包括：在所述腔体中的辐射引导元件，以用于将所述已滤波IR辐射引导到所述光学交互路径中和/或将所述已滤波IR辐射聚焦到所述IR检测器。
根据另一方面，所述基底包括借助于结构化间隔元件机械地键合在一起的第一部分基底和第二部分基底，其中所述结构化间隔元件布置在所述第一部分基底和所述第二部分基底之间，以用于在所述机械地键合的第一部分基底和第二部分基底之间提供所述腔体。
根据另一方面，所述第一部分基底包括凹部，并且所述第二部分基底被形成为覆盖所述第一部分基底中的所述凹部的穿孔的膜结构，其中所述IR发射器(以及可选地所述波长选择结构)和所述IR检测器布置在所述第二部分基底处。
根据另一方面，所述IR发射器包括具有用于在主辐射发射方向上发射宽带IR辐射的主发射表面区域的导体。
根据另一方面，所述导体包括高掺杂半导体带，其中金属覆盖层至少部分覆盖所述半导体带的所述主发射表面区域。
根据另一方面，所述IR发射器的所述主辐射发射方向与所述腔体的横向延伸平面成角度地偏移，所述气体传感器还包括：在所述腔体中的偏转结构，以用于将所述已滤波IR辐射偏转到所述腔体中的所述光学交互路径中。
根据另一方面，所述波长选择结构被形成为具有用于提供具有窄透射带的光学带通滤波器结构，以用户提供具有所述中心波长λ0的已滤波IR辐射。
根据另一方面，所述波长选择结构包括以下中的至少一项：在所述IR发射器与所述腔体之间的滤波器结构、在所述腔体的横向侧壁区域中的光子晶体结构、以及所述腔体的内壁区域的波长选择涂层，以用于在所述腔体(120)中提供具有中心波长λ0的已滤波(窄带)IR辐射。
根据另一方面，所述IR检测器包括电阻性温度传感器、热电温度传感器、压电温度传感器或pn结温度传感器，电阻性温度传感器、热电温度传感器、压电温度传感器或pn结温度传感器被配置为基于传播通过所述腔体的所述光学交互路径并且入射在所述IR检测器上的所述已滤波IR辐射的信号强度来提供检测器输出信号。
根据另一方面，所述IR检测器被配置为感测入射的已滤波IR辐射的强度，入射的已滤波IR辐射的强度是所述腔体中的所述目标气体的浓度的量度。
根据一个实施例，一种气体传感器包括：具有腔体的基底，所述腔体用于为IR(IR＝红外)辐射分量与所述腔体中的目标气体的交互提供光学交互路径，其中所述腔体对于包含所述目标气体的环境气体是可进入的；热发射器，被布置用于发射具有所述IR(IR＝红外)辐射分量的宽带IR辐射，其中所述热发射器光学耦合到所述腔体；IR检测器，被布置为基于已经穿过所述腔体中的所述光学交互路径并且被所述IR检测器接收的所述IR辐射分量的信号强度来提供检测器输出信号；以及波长选择结构，被布置用于滤波由所述热发射器发射的所述宽带IR辐射，其中所述波长选择元件光学耦合在所述腔体与所述IR检测器之间，以用于向所述IR检测器提供包括具有中心波长λ0的IR辐射分量的已滤波IR辐射。
根据一个方面，所述气体传感器还包括：另外的IR检测器，被布置为基于已经穿过所述腔体中的所述光学交互路径并且被所述IR检测器接收的所述IR辐射的信号强度来提供检测器输出信号；以及另外的波长选择结构，被布置用于滤波由所述热发射器发射的所述宽带IR辐射，其中所述波长选择元件光学耦合在所述腔体与所述另外的IR检测器之间，以向所述另外的IR检测器提供包括另外的具有中心波长λ1的另外的IR辐射分量的已滤波IR辐射。
尽管已经在装置的上下文中将一些方面描述为特征，但是很清楚，这样的描述也可以被视为方法的对应特征的描述。尽管已经在方法的上下文中将某些方面描述为特征，但是很清楚，这样的描述也可以被视为关于装置的功能的对应特征的描述。
在前面的“具体实施方式”中，可以看出，出于简化本公开的目的，在示例中将各种特征分组在一起。本公开的方法不应当被解释为反映如下意图，即所要求保护的示例需要比每个权利要求中明确叙述的特征更多的特征。相反，如所附权利要求所反映的，主题可以少于单个公开示例的所有特征。因此，所附权利要求由此被并入“具体实施方式”中，其中每个权利要求可以作为独立的示例而独立存在。尽管每个权利要求可以单独作为单独的示例，但是要注意，尽管从属权利要求在权利要求中可以指代与一个或多个其他权利要求的特定组合，但是其他示例也可以包括从属权利要求与每个其他从属权利要求的主题的组合、或者每个特征与其他从属或独立权利要求的组合。除非指出并非旨在进行特定组合，否则本文中提出了这种组合。此外，意图是将权利要求的特征也包括到任何其他独立权利要求中，即使该权利要求没有直接依赖于该独立权利要求。
尽管本文中已经示出和描述了特定实施例，但是本领域普通技术人员将意识到，在不脱离本实施例的范围的情况下，可以用各种备选和/或等效实现来代替所示出和描述的特定实施例。本申请旨在覆盖本文中讨论的特定实施例的任何改编或变型。因此，旨在使实施例仅由权利要求及其等同物限制。
Claims (20)
1.一种气体传感器(100)，包括：
具有腔体(120)的基底(110)，所述腔体(120)用于为具有中心波长λ0的已滤波IR辐射(R)与所述腔体(120)中的目标气体的交互提供光学交互路径(120-1)，其中所述腔体(120)对于包括所述目标气体组分的环境气体是可进入的，
热发射器(130)，被布置用于发射宽带IR辐射(R0)，其中所述热发射器(130)被光学耦合到所述腔体(120)，
波长选择结构(140)，被布置用于滤波由所述热发射器(130)发射的所述宽带IR辐射(R0)、并且用于在所述腔体(120)中提供所述中心波长为λ0的所述已滤波IR辐射(R)，
其中所述波长选择元件(140)被光学耦合在所述热发射器(130)与所述腔体(120)之间，
或者
其中所述波长选择元件(140)被形成为所述腔体(120)的结合结构，
IR检测器(150)，被布置为基于已经穿过所述腔体(120)中的所述光学交互路径(120-1)并且被所述IR检测器(150)接收的所述已滤波IR辐射的信号强度来提供检测器输出信号(SOUT)。
2.根据权利要求1所述的气体传感器(100)，其中所述腔体(120)被布置为提供所述光学交互路径(120-1)的长度(l120)，所述光学交互路径(120-1)的所述长度(l120)为所述已滤波IR辐射(R)的所述中心波长λ0的至少100倍，并且其中所述腔体(120)的形成所述光学交互路径(120-1)的部分被配置为通过标准反射来引导具有所述中心波长λ0的所述已滤波IR辐射(R)。
3.根据权利要求1或2所述的气体传感器(100)，其中所述基底(110)包括通向所述腔体(120)的至少一个进入孔(160)，以用于提供具有所述目标气体组分的所述环境气体通向所述腔体(120)的通道。
4.根据前述权利要求中任一项所述的气体传感器(100)，其中所述光学交互路径(120-1)平行于所述腔体(120)的底部侧壁(120-A)和顶部侧壁(120-B)延伸，使得所述已滤波IR辐射沿着所述基底的横向平面被引导。
5.根据前述权利要求中任一项所述的气体传感器(100)，其中所述腔体(120)的底部侧壁(120-A)和顶部侧壁(120-B)沿着所述光学交互路径(120-1)彼此平行地延伸，以用于沿着所述光学交互路径提供所述腔体(120)的恒定高度(h120)，所述恒定高度(h120)大于所述中心波长λ0。
6.根据前述权利要求中任一项所述的气体传感器(100)，其中所述腔体(120)包括沿着所述光学交互路径的竖直侧壁(120-C，120-D)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的气体传感器(100)，其中所述腔体(120)包括曲折形状或螺旋形状，以用于提供相应成形的光学交互路径(120-1)并且提供所述光学交互路径(120-1)的所得到的长度(l120)，所述所得到的长度(l120)大于所述基底(110)的横向尺寸的。
8.根据前述权利要求中任一项所述的气体传感器(100)，其中所述基底(110)包括彼此键合的第一部分基底(110-1)和第二部分基底(110-2)，其中所述第一部分基底和所述第二部分基底(110-1，110-2)中的至少一个基底包括用于在键合的所述第一部分基底和所述第二部分基底(110-1，110-2)之间提供所述腔体(120)的凹部。
9.根据前述权利要求中任一项所述的气体传感器(100)，还包括：
在所述腔体(120)中的辐射引导元件(170)，用于将所述已滤波IR辐射(R)引导到所述光学交互路径(120-1)中和/或将所述已滤波IR辐射(R)聚焦到所述IR检测器(150)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的气体传感器(100)，其中所述基底(110)包括机械地键合在一起的第一部分基底和第二部分基底(110-1，110-2)，其中结构化间隔元件(110-3)被布置在所述第一部分基底和所述第二部分基底(110-1，110-2)之间，以用于在机械地键合的所述第一部分基底和所述第二部分基底(110-1，110-2)之间提供所述腔体(120)。
11.根据前述权利要求1至9中任一项所述的气体传感器(100)，其中所述第一部分基底(110-1)包括凹部，并且其中所述第二部分基底(110-2)被形成为覆盖所述第一部分基底(110-1)中的所述凹部的穿孔的膜结构，其中所述IR发射器(130)和所述IR检测器(150)被布置在所述第二部分基底(110-2)处。
12.根据前述权利要求中任一项所述的气体传感器(100)，其中所述IR发射器(130)包括具有用于在主辐射发射方向上发射宽带IR辐射的主发射表面区域的导体。
13.根据权利要求12所述的气体传感器(100)，其中所述导体包括高掺杂半导体带，其中金属覆盖层至少部分覆盖所述半导体带的所述主发射表面区域。
14.根据权利要求12或13所述的气体传感器(100)，其中所述IR发射器(130)的所述主辐射发射方向与所述腔体(120)的横向延伸平面成角度地偏移，所述气体传感器(100)还包括：
在所述腔体(120)中的偏转结构(170)，用于将所述已滤波IR辐射(R)偏转到所述腔体(120)中的所述光学交互路径中。
15.根据前述权利要求中任一项所述的气体传感器(100)，其中所述波长选择结构(140)被形成为具有窄透射带的光学带通滤波器结构，以用于提供具有所述中心波长λ0的所述已滤波IR辐射滤波。
16.根据前述权利要求中任一项所述的气体传感器(100)，其中所述波长选择结构(140)包括以下中的至少一项：
在所述IR发射器与所述腔体(120)之间的谐振器结构，
在所述腔体(120)的横向侧壁区域中的光子晶体结构，以及
所述腔体(120)的内壁区域的波长选择涂层，用于在所述腔体(120)中提供具有所述中心波长λ0的所述已滤波(窄带)IR辐射。
17.根据前述权利要求中任一项所述的气体传感器(100)，其中所述IR检测器(150)包括电阻性温度传感器、热电温度传感器、压电温度传感器或pn结温度传感器，所述电阻性温度传感器、所述热电温度传感器、所述压电温度传感器或所述pn结温度传感器被配置为基于传播通过所述腔体(120)的所述光学交互路径(120-1)并且被入射在所述IR检测器(150)上的所述已滤波IR辐射(R)的信号强度来提供检测器输出信号(SOUT)。
18.根据前述权利要求中任一项所述的气体传感器(100)，其中所述IR检测器(150)被配置为感测入射的已滤波IR辐射(R)的强度，所述入射的已滤波IR辐射(R)的强度是所述腔体(120)中的所述目标气体的浓度的量度滤波。
19.一种气体传感器(100')，包括：
具有腔体(120)的基底，所述腔体(120)用于为IR辐射分量(R)与所述腔体(120)中的目标气体的交互提供光学交互路径(120-1)，其中所述腔体(120)对于包括所述目标气体的环境气体是可进入的，
热发射器(130)，被布置用于发射具有所述IR辐射分量(R)的宽带IR辐射(R0)，其中所述热发射器(130)被光学耦合到所述腔体(120)，
IR检测器(140)，被布置为基于已经穿过所述腔体(120)中的所述光学交互路径(R)并且被所述IR检测器(150)接收的所述IR辐射分量(R)的信号强度来提供检测器输出信号(SOUT)，以及
波长选择结构(140)，被布置用于滤波由所述热发射器(130)发射的所述宽带IR辐射(R0)，其中所述波长选择元件(140)被光学耦合在所述腔体(120)与所述IR检测器(150)之间，以用于向所述IR检测器(150)提供包括具有所述中心波长λ0的所述IR辐射分量的已滤波IR辐射(R)。
20.根据权利要求19所述的气体传感器(100)，还包括：
另外的IR检测器(152)，被布置为基于已经穿过所述腔体(120)中的所述光学交互路径(120-1)并且被所述另外的IR检测器(152)接收的所述IR辐射(R)的信号强度来提供检测器输出信号(SOUT)，以及
另外的波长选择结构(144)，被布置用于滤波由所述热发射器(130)发射的所述宽带IR辐射(R0)，其中所述另外的波长选择元件(144)被光学耦合在所述腔体(120)与所述另外的IR检测器(152)之间，以用于向所述另外的IR检测器(152)提供包括具有另外的中心波长λ1的另外的IR辐射分量的已滤波IR辐射(R')。
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