[发明专利]CMOS MOEMS传感器器件

说明书

技术领域

本发明涉及传感器器件。更特别的是，本发明涉及基于COMS的微光电机传感器器件(MOEMS)，其带有利用当前的互补金属氧化物半导体(CMOS)技术或绝缘体上硅片(SOI)技术被制造的硅光发射器件、硅波导和硅探测器。

背景技术

绝大多数的微电子器件由硅形成，过去的几十年中，大量的努力被用于改善这些器件的可靠性和可制造性。由此，硅基微电子器件已变成了可靠和廉价的部件。特别是，互补式金属氧化物半导体(CMOS)技术已变成一个，为社会的整个电子产品中的将近80％的产品提供基本的制造技术的数十亿产业。而且，绝缘体上硅(SOI)技术被认为是将来合并光电技术和主流电子制造技术的基本技术。

为了利用已有的硅基技术和基础设施，有很大的兴趣将有源光学元件集成进CMOS和SOI硅技术。

然而，硅是间接带隙半导体材料，不同于直接带隙半导体材料，硅具有低的光发射效率。因此，硅被看成是一个差的场致发射辐射源。

尽管光子产生机制还没有完全为人所知，一个来自硅的可见光源是雪崩击穿条件下的反向偏置p-n结。当p-n结被反向偏置至某一点，而使该结上的电场加速电子从而使它们与晶格进行电离碰撞时，发生雪崩击穿。电离碰撞产生另外的电子，新产生的电子随同原来的电子，被加速，以致产生额外的电离碰撞。基于这个原理，Snyman等人在IEEE Photonics Technology Letters，Vol.17，No.10，October 2005，pp 2041-2043的“A Dependency of Quantum Efficiency of Silicon CMOS n pp LEDs on Current Dens ity(Si CMOS n pp LED的量子效率对电流密度的依赖性)”中，已报道通过利用带有楔形端的反向偏置p-n结(楔形端限制了纵向和侧向电磁场)，雪崩硅光发射器件(Av Si LED)中的来自硅的光发射效率能得到极大的增加。

传感器器件已被组装在各个分立的封装中，用于测量物理参数，如温度、机械振动、运动、加速度、旋转、亮度级、流体流速、流动系统中的粒子数、粒子的荧光和吸收。然而，这些器件经常需要复杂和尖端的技术。

虽然传感器器件能在混合模块上形成，为了开发这些器件新的应用，通常理想的是，进一步改进传感器器件，尤其是提高传感器器件的集成度和紧凑性。

因此，所需要的是，一个不仅能够较容易地集成到已经存在的商业上可获取的COMS制造技术中的而且是能够提供改进的性能特征的传感器器件。

发明目的

本发明的目的是提供传感器器件，更优选的是，一个从商业上可获取的制造技术制造而来的光发射结构，其至少部分克服了现有的传感器结构的一些缺点。

提供新颖和有创造性的传感器器件也是本发明的目的。

发明简述

依据本发明的第一方面，提供了一种传感器，其包含：基于硅的光发射结构；集成的能够探测机械偏转的电光机界面结构(electro-optical mechanical interface structure)；集成的电子驱动和处理电路，用于探测诸如振动、运动、旋转、加速的物理参数。

所述传感器可以是基于互补金属氧化物半导体(CMOS)技术或基于绝缘体上硅片(SOI)技术并集成在单个芯片上。

所述传感器可以进一步包含附加的滤光器和参考光路部分，以便提高器件测量的灵敏度。

所述传感器可以进一步包含同硅光发射结构集成在同一个芯片上的单片集成的波导系统。

波导系统可以进一步包含氮化硅、氮氧化硅或透光聚合物。

所述传感器进一步包含代替电机模块的流体界面模块，用于探测光学吸收、额外的增加的波长或气体或流体样本中除去的元素。

依据本发明的第二方面，提供了一种制造基于Si LED的传感器的方法，其中：通过硅自身中的增强的次级激发过程，形成增强的光发射；或通过具有高光子产出的次级主体内的增强的次级激发过程以及将第二主体放置于次级主体能达到的范围，形成增强的光发射；利用该光发射探测物理或流体变化参数，所述探测通过形成一个与环境紧密相接并通过强度调制或位相对比技术形成对物理变化的增强的探测的次级光路装置来进行。