CN112082967A - 一种超窄带红外热辐射光源及紧凑型红外气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及气体传感器技术领域，具体为一种超窄带红外热辐射光源及紧凑型红外气体传感器，红外热辐射光源包括第一衬底、支撑层、加热板、超材料吸收器以及密封层，超材料吸收器包括金属板和微阵列结构，微阵列结构设置在金属板上方，微阵列结构包括介质层和金属天线。加热板两侧均设有第一绝缘层。紧凑型红外气体传感器包括气室、红外发射器和红外探测器，红外发射器使用上述的超窄带红外热辐射光源，气室内壁设有反射层，红外探测器包括第二衬底、绝热微桥、热敏层以及超表面。本申请的低辐射的紧凑型红外气体传感器，能够解决传统红外气体传感器体积大、成本高等问题，具有体积小、功耗低、成本低、可多种气体同时探测等优点。
Description
技术领域
本发明涉及气体传感器技术领域，具体为一种超窄带红外热辐射光源及紧凑型红外气体传感器。
背景技术
气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。
气体传感器在民用领域的应用主要体现在：厨房里，检测天然气、液化石油气和城市煤气等民用燃气的泄漏，通过检测微波炉中食物烹调时产生的气体，从而自动控制微波炉烹调食物；住房、大楼、会议室和公共娱乐场所用二氧化碳传感器、烟雾传感器、臭氧传感等，控制空气净化器或电风扇的自动运转；在一些高层建筑物中，气体传感器还可以用于检测火灾苗头并报警。
在工业领域，气体传感器主要应用在石化工业中，一些二氧化碳传感器、氨气传感器、一氧化氮传感器等都能用在检测二氧化碳、氨气、氯气等有害气体的具体应用中。另外，可用来检测半导体和微电子工业的有机溶剂和磷烷等剧毒气体；电力工业方面，氢气传感器能够检测电力变压器油变质过程中产生的氢气；而在食品行业，气体传感器也可以检测肉类等易腐败食物的新鲜度；在果蔬保鲜应用中，气体传感器检测保鲜库中的氧气、乙烯、二氧化碳的浓度仪以保证水果的新鲜安全；在汽车和窑炉工业检测废气中氧气，公路交通检测驾驶员呼气中乙醇气浓度等方面，也有着广泛的需求。
在最为贴近生活的环境监测领域，自然也离不开气体传感器。例如，用传感器检测氮的氧化物、硫的氧化物、氯化氢等引起酸雨的气体；二氧化碳传感器、臭氧传感器、氟利昂等检测温室效应气体等。
近年来，随着物联网、智能机器人、可穿戴电子等众多高科技领域的兴起，紧凑型、小型化气体传感器的需求变得日益强烈。而传统的红外气体传感器因其大体积的缺陷，限制了其在众多领域的应用。因此，迫切需要实现小型化，紧凑型红外气体传感器，助力物联网、人工智能等众多新兴产业的发展。
发明内容
本发明意在提供一种超窄带红外热辐射光源及一种紧凑型红外气体传感器，能够解决传统红外气体传感器体积大的问题，具有体积小、功耗低、成本低、可多种气体同时探测等优点。
本申请提供如下技术方案：
一种超窄带红外热辐射光源，包括第一衬底，第一衬底上方设有加热板，加热板上方设有超材料吸收器，所述超材料吸收器包括金属板和微阵列结构，所述微阵列结构设置在金属板上方，所述微阵列结构包括介质层和金属天线。
进一步，还包括密封层，所述密封层设置在超材料吸收器上方，用于将超材料吸收器进行密封。
通过密封层可以防止相应的金属结构在反复热循环的过程中被氧化。
进一步，所述第一衬底和加热板之间设有支撑层，所述支撑层设有空腔结构。
通过支撑层以及空腔结构，将加热板和衬底隔离开，防止CMOS衬底在加热板工作时被热损坏。
进一步，所述加热板和支撑层之间以及加热板和超材料吸收器之间均设有第一绝缘层。
第一绝缘层的设置可以避免各个部分之间直接碰触。
进一步，本发明还公开了一种紧凑型红外气体传感器，包括气室，所述气室设有进气口和出气口，所述气室内设有红外发射器和红外探测器，所述红外发射器使用上述的超窄带红外热辐射光源。
进一步，所述气室内壁设有反射层。
通过反射层，可以使红外光可以在气室内多次反射，可以极大的增加红外光与气体接触的次数，进而提高灵敏度，有利于进一步减小传感器体积。
进一步，所述红外探测器从下至上依次包括第二衬底、绝热微桥、热敏层以及超表面。
通过超表面，利用超材料波长选择吸收特性，使得红外探测器自带滤波功能，无需滤波片的使用，可以极大的减小红外探测器的体积。
进一步，所述第二衬底与绝热微桥的支撑柱以及热敏层与超表面之间设有第二绝缘层。
通过第二绝缘层使得各个部分隔离开，避免直接接触。
进一步，所述红外发射器以及红外探测器均设有若干个，所述红外发射器以及红外探测器均阵列化排布。
通过红外发射器和红外探测器的阵列化以及改变超材料的结构和尺寸，可以实现不同波段的滤波功能，使得红外发射器和红外探测器可以形成多个波段的红外发射光源和多个波段探测的红外探测器，进而可以实现多气体传感。
本发明技术方案的有益效果为：
本发明的超窄带红外热辐射光源，使用超材料吸收器自带滤波功能，不需要滤波片，辐射光谱带宽窄，可以大大减小红外气体传感器的体积，有利于实现红外气体传感器的微型化，方便检测仪器的集成，且加工成本低，有利于大批量的生产和大范围的使用。
本发明的紧凑型红外气体传感器，将超材料整合到红外发射器和红外探测器中，利用超材料波长选择吸收特性，使红外发射器和红外探测器自带滤波功能，极大的减小了红外发射器和红外探测器的体积，与传统红外气体传感器相比，该红外气体传感器消除了滤波片的使用，在降低成本的同时增加了红外发射器和红外探测器的集成度和灵活性。同时，本方案引入全金属气室，使红外光在腔体内多次反射，极大的增加了光与气体接触的次数，有效的提高了检测灵敏度，可进一步减小红外气体传感器的体积。通过改变超材料的结构和尺寸，可以实现不同波段的滤波功能，再通过红外发射器和红外探测器的阵列化，可以实现多种气体传感，进而实现多种气体的同时检测，可以进一步降低传感器成本和体积。
附图说明
图1为本申请一种超窄带红外热辐射光源实施例中的结构示意图；
图2为本申请一种超窄带红外热辐射光源实施例中的结构剖视图；
图3为本申请一种超窄带红外热辐射光源实施例中加热板的结构示意图；
图4为本申请一种超窄带红外热辐射光源加热板的另一种实施方式结构示意图；
图5为本申请一种超窄带红外热辐射光源加热板的另一种实施方式结构示意图；
图6为本申请一种超窄带红外热辐射光源的光谱图；
图7为本申请一种紧凑型红外气体传感器实施中的结构示意图；
图8为本申请一种紧凑型红外气体传感器实施中红外探测器的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本申请技术方案进行进一步详细说明：
说明书附图中的标记包括：第一衬底1、支撑层2、第一绝缘层3、加热板4、金属板6、介质层7、金属天线8、密封层9、进气口10、出气口11、印制电路板12、红外发射器13、红外探测器14、气室15、第二衬底16、绝热微桥17、热敏层18、超表面19。
实施例
如图1和图2所示，本实施例公开了一种超窄带红外热辐射光源，从下至上依次包括：第一衬底1、支撑层2、加热板4、超材料吸收器以及密封层9。
第一衬底1为CMOS衬底，支撑层2沉积在第一衬底1上，并形成空腔结构，所述加热板4和支撑层2之间以及加热板4和超材料吸收器之间均设有第一绝缘层3，支撑层2上沉积一层绝缘层，加热板4上再沉积一层绝缘层，第一绝缘层3的设置可以避免各个部分之间直接碰触。
本实施例中，加热板4为MEMS加热板4，超材料吸收器包括金属板6和微阵列结构，金属板6与加热板4上方的绝缘层连接，所述微阵列结构包括图形化的介质层7和金属天线8，所述微阵列结构设置在金属板6上方，即介质层7和金属天线8依次沉积在金属板6上方，形成微阵列结构。密封层9设置在微阵列结构的顶部，用于将其密封防止相应的金属结构在反复热循环的过程中被氧化。
支撑层2厚度为50-1000纳米，支撑层2材质可以为氧化硅、氧化铝、氮化硅或氮化硼等。
第一绝缘层3厚度为50-1000纳米，第一绝缘层3的材质为氧化硅、氧化铝、氮化硅或氮化硼。
MEMS加热板4的材质为多晶硅、Pt或W等，由多晶硅材料构成时厚度为0.2-1微米，形状为圆盘或者方盘状，由Pt或W材料构成时厚度为100-500纳米，形状为折线形结构。
金属板6厚度为30-200纳米，材质为Au、Ag、Al、Ti、Ba和Cu中的一种。
介质层7为厚度50-300纳米的薄膜，其采用反应离子刻蚀工艺形成图形化，材质可以为硅、氧化硅、氮化硅、氧化锌、硫化锌、硒化锌、磷化铟、锗、硫化铟、氟化镁或氟化钙等。
金属天线8是通过在图形化的介质层7上溅射30-200nm的金属而形成的，其材质可选为金、银、铝、钨，钛、铂或铜等。
密封层9厚度为10-300纳米，密封层9材质为Al2O3、SiO2或Si3N4。
具体到本实施中，支撑层2材质优选为SiO2，其厚度是200nm。绝缘层材质优选为SiO2，其厚度是200nm。MEMS加热板4的材质优选为多晶硅，厚度为500nm，其形状如图3所示，在本申请的其他实施例中，MEMS加热板4的形状还可以设置为其他形状，如图4或图5中的形状。金属板6的材质优选为Cu，其厚度是100nm，直径为400μm。介质层7的材质优选为Al2O3，其厚度是200nm。图形化的介质层7的材质优选为氟化镁，厚度为340nm。金属天线8的材质优选为金，厚度是100nm。密封层9材质优选为Al2O3，厚度为10nm。本实施例中的超窄带红外热辐射光源的光谱图像如图6所示，可见，波长集中在3.0左右，半峰宽仅为16纳米，辐射光谱带宽窄。
本实施中还公开了上述超窄带红外热辐射光源的制备方法，包括以下步骤：
S1：清洗采用标准商用制造工艺加工的CMOS集成电路的衬底，在其上方制备50～1000nm的支撑层2，刻蚀形成空腔结构，并在空腔中沉积一层牺牲层；
S2：在S1制备的支撑层2上沉积一层50～1000nm的绝缘层；
S3：在S2沉积的绝缘层上制备MEMS加热板4；
S4：在S3制备的MEMS加热板4上方制备50～1000nm的绝缘层；
S5：在S4所述的绝缘层上制备30-200nm的金属板6；
S6：在S5所述的金属板6上沉积50-300nm的薄膜，再采用反应离子刻蚀工艺形成图形化介质层7；
S7：在S6所述的图形化介质层7上溅射30-200nm的金属，形成金属天线8；
S8：在S7所述的金属天线8的上方制作厚度为10-300nm的密封层9；
S9：对S8中的牺牲层进行去除，完成制备。
如图7所示，本实施例中还公开了一种紧凑型红外气体传感器，包括气室15，所述气室15设有进气口10和出气口11，所述气室15内设有红外发射器13和红外探测器14，具体的，本实施中，红外发射器13和红外探测器14均设置在印制电路板12上，电路板上还可以设置相应的信号控制或信号输出电路等，以实现传感数据的输出和控制等功能，在此不再赘述。所述红外发射器13使用本实施中所公开的超窄带红外热辐射光源。
工作时，气体从进气口10进入气室15，从出气口11逸出，印制电路板12相应电路驱动红外发射器13发出红外光，红外光在气室15中多次反射，最后由红外探测器14探测到并转化为电信号输出。为了增加传感器的灵敏度，气室15内壁设有反射层，使红外光可以在腔体内多次反射，进而提高灵敏度，反射层可以为金属层或其他涂层，本实施中，气室15采用全金属气室15，气室15内表面可以有效反射红外光，可以极大的增加光与气体接触的次数，提高灵敏度，有利于减小红外气体传感器的体积。
如图8所示，红外探测器14从下至上依次包括第二衬底16、绝热微桥17、热敏层18以及超表面19。所述第二衬底16与绝热微桥17的支撑柱以及热敏层18与超表面19之间设有第二绝缘层。第二衬底16同样采用CMOS衬底，第二绝缘层采用和第一绝缘层3相同的材质。
本实施例中，红外发射器13以及红外探测器14均设有若干个，所述红外发射器13以及红外探测器14均阵列化排布。阵列化排布后的红外发射器13和红外探测器14可以形成多个波段的红外发射光源和多个波段探测的红外探测器14，进而可以实现多气体传感。
本实施例的紧凑型红外气体传感器，将超材料整合到红外发射器13和红外探测器14中，利用超材料波长选择吸收特性，使红外发射器13和红外探测器14自带滤波功能，极大的减小了红外发射器13和红外探测器14的体积，与传统红外气体传感器相比，该红外气体传感器消除了滤波片的使用，在降低成本的同时增加了红外发射器13和红外探测器14的集成度和灵活性。同时，本方案引入全金属气室15，使红外光在腔体内多次反射，极大的增加了光与气体接触的次数，有效的提高了检测灵敏度，可进一步减小红外气体传感器的体积。通过改变超材料的结构和尺寸，可以实现不同波段的滤波功能，再通过红外发射器13和红外探测器14的阵列化，可以实现多种气体传感，进而实现多种气体的同时检测，进而进一步降低传感器成本和体积。
以上的仅是本发明的实施例，该发明不限于此实施案例涉及的领域，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (9)
1.一种超窄带红外热辐射光源，其特征在于：包括第一衬底，第一衬底上方设有加热板，加热板上方设有超材料吸收器，所述超材料吸收器包括金属板和微阵列结构，所述微阵列结构设置在金属板上方，所述微阵列结构包括介质层和金属天线。
2.根据权利要求1所述的一种超窄带红外热辐射光源，其特征在于：还包括密封层，所述密封层设置在超材料吸收器上方，用于将超材料吸收器进行密封。
3.根据权利要求2所述的一种超窄带红外热辐射光源，其特征在于：所述第一衬底和加热板之间设有支撑层，所述支撑层设有空腔结构。
4.根据权利要求3所述的一种超窄带红外热辐射光源，其特征在于：所述加热板和支撑层之间以及加热板和超材料吸收器之间均设有第一绝缘层。
5.一种紧凑型红外气体传感器，包括气室，所述气室设有进气口和出气口，其特征在于：所述气室内设有红外发射器和红外探测器，所述红外发射器使用如权利要求1-4中任一项所述的超窄带红外热辐射光源。
6.根据权利要求5所述的一种紧凑型红外气体传感器，其特征在于：所述气室内壁设有反射层。
7.根据权利要求5所述的一种紧凑型红外气体传感器，其特征在于：所述红外探测器从下至上依次包括第二衬底、绝热微桥、热敏层以及超表面。
8.根据权利要求7所述的一种紧凑型红外气体传感器，其特征在于：所述第二衬底与绝热微桥的支撑柱以及热敏层与超表面之间设有第二绝缘层。
9.根据权利要求5所述的一种紧凑型红外气体传感器，其特征在于：所述红外发射器以及红外探测器均设有若干个，所述红外发射器以及红外探测器均阵列化排布。
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