CN103245634A - 单片集成式微型红外气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种单片集成式微型红外气体传感器，包括：具有凹坑的上衬底和具有凹坑的下衬底，上衬底、下衬底以及键合假片结合在一起，中间形成中空的气室；上衬底凹坑的凹陷处设置有红外光源，上衬底凹坑的侧壁具有相对的斜面，在相对的斜面上设置有反射微镜；下衬底凹坑的凹陷处分布有一个或多个光栅结构，以及与光栅结构数量相一致的红外探测器；上衬底上红外光源的位置、下衬底上光栅结构、红外探测器分布的位置与上衬底凹坑斜面上反射微镜的位置及倾斜角度相配合，使得红外光源发出的红外光经过光栅结构分光后，与被测气体特征红外吸收峰对应波段的窄带红外光射向反射微镜，并经反射微镜反射后准确入射至红外探测器。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器，尤其是一种红外气体传感器。
背景技术
随着工业化进程的加快和物联网产业的发展，智能环境监测***的开发成为当前研究热点之一，而气体探测器作为该***的核心部分，因此，研制高性能、高集成度的气体探测器则成为当前的重中之重。关于模块化集成的气体探测器，一些研究机构早就做了相关的研究，并制造出样机雏形，比如：2008年，中北大学设计了一种吸收光谱型气体红外传感器，并提出了一种器件级的集成化设计方案。采用MEMS工艺将红外双路敏感元件及滤光片制作成探测头，然后通过微封装和微小集成技术将探测头、红外光源、过滤网集成在气室内。英国Cranfield University大学将红外热辐射源、窄带滤波片、热释电传感器集成在圆柱形管壳中，并对管壳壁进行特殊光学设计及处理，使更多的红外辐射到达红外探测器的窗口，极大的提高了器件的灵敏度（高达3500V/W），制作了低成本且高效率的二氧化碳NDIR传感器。上述两种方案仅局限于器件的模块化集成，未真正解决模块组装过程中所带来的各种误差，甚至器件的失效问题，因此，无法实现高可靠性和微型化的气体检测微传感结构。
随着技术的进一步革新，这些独立的器件甚至被集成到了同一衬底上，使得器件体积很小，集成度更高。在《MEMS技术用于红外器件制作》一文中，JPL实验室曾成功研制出微机械电子隧道红外探测器。该探测器采用MEMS（微机电***）技术实现传统盒式气动红外探测原理，并制作隧道检测结构取代原有的复杂光学检测结构，在硅片上用微机械方法加工出气室微腔。通过检测由于红外吸收作用导致的薄膜形变，来实现红外辐射的测量。该方法实现了微机械电子隧道式探测器和气室光路的集成化设计，为集成化、微型化的气体检测装置的研究奠定了一定的基础。武汉国家光电子实验室成功地将热辐射红外光源和探测结构集成在同一衬底上，并利用管壳气室制成了红外CO2传感器。该传感器的缺点在于仅能够用于探测CO2气体，如需探测其它多种气体，还需使用其它传感器***，因此，集成度比较差。虽然在红外探测器和气室结构、红外光源与探测器等方面实现了集成化，但是截至目前为止，还未见红外探测器、红外光源、微镜等多种MEMS结构集成到单一芯片上的高度集成化的微型气体传感器有所报道。因此，研究和开发该类集成化微纳结构应用前景十分可观。
发明内容
本发明的目的主要是突破传统的模块化的组合、拼凑方式，开发高度集成化的微型红外气体传感器，该传感器主要是将红外光源、微镜、光栅、红外探测器进行单片集成，通过设置红外探测器阵列和光栅结构阵列，能够实现多组分气体检测。本发明采用的技术方案是：
一种单片集成式微型红外气体传感器，包括：
具有凹坑的上衬底和具有凹坑的下衬底，以及位于上衬底和下衬底之间的键合假片，上衬底、下衬底以及键合假片结合在一起，中间形成中空的气室；
上衬底凹坑的凹陷处设置有红外光源，上衬底凹坑的侧壁具有相对的斜面，在相对的斜面上设置有反射微镜；红外光源电连接上衬底外表的电极；
下衬底凹坑的凹陷处分布有一个或多个光栅结构，以及与光栅结构数量相一致的红外探测器；红外探测器电连接下衬底外表的电极；
上衬底上红外光源的位置、下衬底上光栅结构、红外探测器分布的位置与上衬底凹坑斜面上反射微镜的位置及倾斜角度相配合，使得红外光源发出的红外光经过光栅结构分光后，与被测气体特征红外吸收峰对应波段的窄带红外光射向反射微镜，并经反射微镜反射后准确入射至红外探测器；
在上衬底、下衬底或键合假片上开有与外界交换气体的通气孔。
进一步地，所述红外光源通过TSV通孔与上衬底外表的电极电连接。
进一步地，所述红外探测器通过TSV通孔与下衬底外表的电极电连接。
进一步地，所述红外光源采用真空封装。
进一步地，所述红外探测器采用真空封装。
进一步地，上衬底的凹坑呈四棱台形状。
进一步地，键合假片为单层或多层材料组成，键合假片的材料包括硅、氧化硅、氮化硅。
进一步地，所述红外光源和反射微镜均采用MEMS工艺加工制作而成。
进一步地，所述红外探测器和光栅结构均采用MEMS工艺加工制作而成。
进一步地，上衬底、下衬底以及键合假片通过键合技术键合在一起。
本发明的原理是，被测气体对于特定波长的红外光具有的较强吸收作用，而随着被测气体浓度的不同，到达红外探测器的红外光强度也会变化，红外探测器输出的电学信号发生变化，根据电学信号的变化，从而可测得被测气体的浓度。光栅结构的作用是代替传统的滤光片，利用光栅分光技术，通过设计合理的光栅间距和宽度、深度，使得红外光源发出的宽波段的红外光变成窄带窗口光源，这样使得与被测气体特征红外吸收峰对应波段的窄带红外光才射向对应的反射微镜。反射微镜是为了增加红外线的光程而设计的，可以使被测气体对红外光的吸收比较充分。键合假片可以使气室具有合适的高度，从而也可以调整气体吸收的光程。红外光源的位置、下衬底上光栅结构和红外探测器分布的位置与反射微镜的位置及倾斜角度要精确控制，相互配合，以保证红外光源发出的红外光经过光栅结构分光后，再经过反射微镜的多次反射后正好入射到红外探测器的红外吸收区。
为了实现能探测多组分气体的红外传感器，可以在下衬底上制作多种类型的光栅结构，并且在下衬底上制作对应位置结构的红外探测器阵列。最终可实现单光源对多探测器的组合，也可以实现多光源对多探测器的组合，根据用户的需求和对体积的要求，进行高集成度的匹配设计。
本发明的优点：
（1）利用光栅分光技术，创新性的提出一种全单片高集成度无滤光片的红外气体器。
（2）提出一种巧妙的气室光路结构，结合晶圆级低温键合等关键技术最终实现微型化可集成的气室结构。
（3）设计多种光栅结构，制作探测器阵列，实现多组分气体探测。
附图说明
图1为单组分红外气体传感器的基本组成和光路设计示意图。
图2为双组分红外气体传感器的基本组成和光路设计示意图。
图3为实施例二立体结构示意图。
图4为双组分红外气体传感器的光栅结构示意图。
图5为多组分（大于3种）红外气体传感器的基本组成和光路设计示意图。
图6为多组分红外气体传感器的光栅结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例一，是一种单组分红外气体传感器。
如图1所示：该红外气体传感器包括具有凹坑的上衬底101和具有凹坑的下衬底108，以及位于上衬底101和下衬底108之间的键合假片103。上衬底101、下衬底108以及键合假片103通过低温键合技术键合在一起，中间形成中空的气室107。键合假片103可以为单层或多层材料组成，为了实现与CMOS工艺的兼容性，键合假片103可以选择硅、氧化硅、氮化硅等材料，键合假片103的厚度可以根据气体吸收的光程来调整。上衬底101的凹坑呈四棱台形状。
在上衬底101上开有与外界交换气体的通气孔（图1中未画出），作为被测气体进出通道。该通气孔也可以开在下衬底108或键合假片103上。
在上衬底101凹坑的凹陷处加工有MEMS红外光源102，上衬底101凹坑的侧壁具有特定角度的相对斜面，在相对的斜面上加工有MEMS反射微镜1041、1042。红外光源102为MEMS器件，通过表面微加工工艺和体加工工艺加工而成，红外光源102采用真空封装，以减小热传递、热对流；另外红外光源102与上衬底101间做好一定的热隔离，可减少与上衬底101之间的热扩散，以增加红外辐射效率。红外光源102通过TSV通孔1101与上衬底外表的电极1091电连接，通过电极1091可以给红外光源102进行供电。反射微镜1041、1042是为了增加红外线的光程而设计的。
在下衬底108凹坑的凹陷处加工有一个光栅结构106和一个红外探测器105。红外探测器105和光栅结构106为MEMS器件，通过表面微加工工艺和体加工工艺加工而成，其中红外探测器105需要真空封装，以提高红外吸收区对红外能量的吸收，减少热对流作用，提高探测器的灵敏度和精度。光栅结构106作为波段选择窗口，根据被测气体特征红外吸收峰，设计相应的光栅间距和宽度、深度，制作光栅结构106的材料可以是Au、Ag、Al和TiN等。光栅结构106的作用是代替传统的滤光片，利用光栅分光技术，通过设计合理的光栅间距和宽度、深度，使得红外光源发出的宽波段的红外光变成窄带窗口光源。红外探测器105通过TSV通孔1102与下衬底外表的电极1092电连接，从而实现对红外探测器105的电信号引出和供电。
上衬底上红外光源102的位置、下衬底上光栅结构106和红外探测器105分布的位置与上衬底凹坑斜面上反射微镜1041、1042的位置、倾斜角度需要精确配合，使得红外光源102发出的红外光经过光栅结构106分光后，与被测气体特征红外吸收峰对应波段的窄带红外光射向反射微镜1041，再经过反射微镜1041、1042的先后反射后，正好入射到红外探测器105的红外吸收区。
实施例二，是一种双组分红外气体传感器。
如图2、图3所示：与实施例一的主要区别在于红外光源102的下方设计有两个并列的光栅结构1061、1062，在光栅结构1061、1062的左右两边分别是红外探测器1051和1052。图4中箭头方向所示为各光栅所对应的表面等离子波的传输方向。
双组分红外气体传感器的光路设计如图2中的各箭头线所示，
红外光源102发出的红外光经过光栅结构1061分光后，与第一被测气体特征红外吸收峰对应波段的窄带红外光射向反射微镜1042，再经过反射微镜1042、1041的先后反射后，正好入射到红外探测器1052的红外吸收区。
红外光源102发出的红外光经过光栅结构1062分光后，与第二被测气体特征红外吸收峰对应波段的窄带红外光射向反射微镜1041，再经过反射微镜1041、1042的先后反射后，正好入射到红外探测器1051的红外吸收区。
通过检测两红外探测器的电学信号，从而分析两种被测气体浓度。
实施例二其余的设计同实施例一。
实施例三，是一种多组分红外气体传感器。
如图5所示：与实施例一的主要区别在于红外光源102的下方设计有四种光栅结构1063、1064、1065、1066，大体上成田字形分布,形成了光栅结构阵列。图6中箭头方向所示为各光栅所对应的表面等离子波的传输方向。在上述光栅结构阵列的前后左右分别是红外探测器1056、1054、1055、1053。上衬底101的凹坑呈四棱台形状，在凹坑的四个侧壁的斜面上均加工有MEMS反射微镜，分别是反射微镜1041、1042、1043、1044。
多组分红外气体传感器的光路设计如图5中的各箭头线所示，
红外光源102发出的红外光经过光栅结构1063分光后，与第一被测气体特征红外吸收峰对应波段的窄带红外光射向反射微镜1042，再经过反射微镜1042、1041的先后反射后，正好入射到红外探测器1053的红外吸收区。
红外光源102发出的红外光经过光栅结构1064分光后，与第二被测气体特征红外吸收峰对应波段的窄带红外光射向反射微镜1043，再经过反射微镜1043、1044的先后反射后，正好入射到红外探测器1054的红外吸收区。
红外光源102发出的红外光经过光栅结构1065分光后，与第三被测气体特征红外吸收峰对应波段的窄带红外光射向反射微镜1041，再经过反射微镜1041、1042的先后反射后，正好入射到红外探测器1055的红外吸收区。
红外光源102发出的红外光经过光栅结构1066分光后，与第四被测气体特征红外吸收峰对应波段的窄带红外光射向反射微镜1044，再经过反射微镜1044、1043的先后反射后，正好入射到红外探测器1056的红外吸收区。
通过检测上述四个红外探测器的电学信号，从而可以分析四种被测气体浓度。
实施例三其余的设计同实施例一。
上述实施例可以用来说明本发明的结构和制造过程，但本发明的实施绝不仅限于上述实施例。在不脱离本发明及所附的权利要求的范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明的保护范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
Claims (10)
1.一种单片集成式微型红外气体传感器，其特征在于，包括：
具有凹坑的上衬底和具有凹坑的下衬底，以及位于上衬底和下衬底之间的键合假片，上衬底、下衬底以及键合假片结合在一起，中间形成中空的气室；
上衬底凹坑的凹陷处设置有红外光源，上衬底凹坑的侧壁具有相对的斜面，在相对的斜面上设置有反射微镜；红外光源电连接上衬底外表的电极；
下衬底凹坑的凹陷处分布有一个或多个光栅结构，以及与光栅结构数量相一致的红外探测器；红外探测器电连接下衬底外表的电极；
上衬底上红外光源的位置、下衬底上光栅结构、红外探测器分布的位置与上衬底凹坑斜面上反射微镜的位置及倾斜角度相配合，使得红外光源发出的红外光经过光栅结构分光后，与被测气体特征红外吸收峰对应波段的窄带红外光射向反射微镜，并经反射微镜反射后准确入射至红外探测器；
在上衬底、下衬底或键合假片上开有与外界交换气体的通气孔。
2.如权利要求1所述的单片集成式微型红外气体传感器，其特征在于：所述红外光源通过TSV通孔与上衬底外表的电极电连接。
3.如权利要求1所述的单片集成式微型红外气体传感器，其特征在于：所述红外探测器通过TSV通孔与下衬底外表的电极电连接。
4.如权利要求1所述的单片集成式微型红外气体传感器，其特征在于：所述红外光源采用真空封装。
5.如权利要求1所述的单片集成式微型红外气体传感器，其特征在于：所述红外探测器采用真空封装。
6.如权利要求1所述的单片集成式微型红外气体传感器，其特征在于：上衬底的凹坑呈四棱台形状。
7.如权利要求1所述的单片集成式微型红外气体传感器，其特征在于：键合假片为单层或多层材料组成，键合假片的材料包括硅、氧化硅、氮化硅。
8.如权利要求1所述的单片集成式微型红外气体传感器，其特征在于：所述红外光源和反射微镜均采用MEMS工艺加工制作而成。
9.如权利要求1所述的单片集成式微型红外气体传感器，其特征在于：所述红外探测器和光栅结构均采用MEMS工艺加工制作而成。
10.如权利要求1所述的单片集成式微型红外气体传感器，其特征在于：上衬底、下衬底以及键合假片通过键合技术键合在一起。
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