[發明專利]多通道濾波陣列MEMS光譜式氣敏傳感器

有效

• 申請號: 201010157527.7
• 申請日: 2010-04-21
• 公開（公告）號: CN102235969A
• 公開（公告）日: 2011-11-09
• 發明（設計）人: 高超群;景玉鵬
• 申請（專利權）人: 中國科學院微電子研究所
• 主分類號: G01N21/35
• 分類號: G01N21/35
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 周國城

技術領域

本發明涉及氣敏傳感器技術領域，尤其涉及一種多通道濾波陣列MEMS光譜式氣敏傳感器，該傳感器通過檢測待測氣體的紅外透射譜，結合化學計量學方法，確定待測氣體的種類和濃度。有效解決現有氣敏傳感器選擇性低、抗干擾性差的問題，并且其制作與標準CMOS工藝兼容，便于實現片上集成。

背景技術

隨著社會不斷進步，氣敏傳感器在制藥、醫學檢測、食品行業、石化、海關、煤礦等領域的應用越來越重要。傳統的氣敏傳感器體積大功耗高，靈敏度低且使用不便，難于推廣；敏感膜類MEMS氣敏傳感器體積小功耗低，但此類傳感器往往存在靈敏度與壽命難以折中的困難，且所能檢測的氣體種類受敏感膜材料性能的影響。對于新發現的一些物質，很難找到特異性強的功能材料。

光譜分析作為化學分析的終極手段，是有效解決目前氣敏傳感器研發領域諸多問題的一大發展方向，但是已有的光譜式氣敏傳感器體積大成本高，不便于廣泛使用。在獲得光譜時，它們大多利用光柵掃描分光，或諧振選頻分光，可動結構加工困難，難以實現微型化。

發明內容

(一)要解決的技術問題

為了解決現有氣敏傳感器靈敏度低、選擇性差、加工復雜、成本高等問題，本發明提供了一種多通道濾波陣列MEMS氣敏傳感器，以滿足人們對于氣體環境方便、快速、準確檢測的要求。

(二)技術方案

為達到上述目的，本發明提供了一種多通道濾波陣列MEMS光譜式氣敏傳感器，通過分析待測氣體的紅外透射譜，確定所測氣體的種類和濃度，該傳感器由制作在硅襯底上的光源1、氣室2、一維光子晶體濾波陣列3、紅外光強檢測陣列4構成，其中，光源1發出的紅外光進入氣室2，與待測氣體相互作用后，通過一維光子晶體濾波陣列3不同的濾波通道出射；各濾波通道出射的光強信號在紅外光強檢測陣列4對應的不同檢測單元上分別轉化為電信號輸出，不同位置的檢測單元輸出的信號強度體現了待測氣體對不同波長的紅外光的吸收情況，通過測量待測氣體的透射譜，并與預存圖譜特征比較，借助化學計量學算法，可判斷氣體成分并確定其濃度。

上述方案中，所述光源1為熱輻射光源，由多晶硅電阻橋及互聯線和相關引線等構成，將電功轉化為熱輻射，為傳感器提供寬譜紅外能量。

上述方案中，所述氣室2為硅片上刻蝕出的氣體通道，與測量環境相通。

上述方案中，所述一維光子晶體濾波陣列3為硅片上刻蝕出的一系列深槽。

上述方案中，所述一維光子晶體濾波陣列3由針對不同波長的窄帶帶通濾波器并行排列而成。

上述方案中，所述一維光子晶體濾波陣列3所包括的窄帶帶通濾波器，由兩個或兩個以上按照不同周期排列的硅槽形成一維光子晶體級聯構成。

上述方案中，所述不同周期的硅槽序列之間通過在硅片上刻蝕出的硅波導級聯。

上述方案中，所述窄帶帶通濾波器輸入輸出信號通過光波導耦合。

上述方案中，所述紅外光強檢測陣列4為光電二極管線形陣列，可將入射其上的紅外信號強度化為電信號輸出。

上述方案中，所述一維光子晶體濾波陣列3的不同濾波通道的輸出端與所述紅外光強檢測陣列4上不同的檢測單元一一對應。

(三)有益效果

從以上技術方案可以看出，本發明有以下有益效果：

(1)本發明提供的多通道濾波陣列MEMS光譜式氣敏傳感器，將光譜分析的檢測手段應用于MEMS氣敏傳感器，克服了敏感膜類MEMS氣敏傳感器選擇性差、易中毒、依賴敏感材料等缺點，具有靈敏度高、壽命長、使用范圍廣等優勢。

(2)本發明提供的多通道濾波陣列MEMS光譜式氣敏傳感器，通過多條并行窄帶帶通濾波通道，將穿透待測氣體的紅外光在空間上展開，并由對應的紅外光強檢測陣列將紅外信號序列轉換為電信號序列輸出，利用氣體的紅外透射譜確定氣體的種類及其濃度。

(3)本發明提供的多通道濾波陣列MEMS光譜式氣敏傳感器，參數調整靈活，無可動結構，工藝簡單，有效改善現有微型光譜分析器件分辨率低，分析范圍狹窄、制作工藝復雜、穩定性差等問題，易于批量制作。

(4)本發明提供的多通道濾波陣列MEMS光譜式氣敏傳感器，與標準CMOS工藝兼容，可與信號處理、數據存儲、數據計算等功能模塊單片集成，實現低成本智能化微型傳感系統片上集成。

附圖說明

圖1為本發明提供的多通道濾波陣列MEMS光譜式氣敏傳感器平面結構示意圖；

圖2為本發明提供的多通道濾波陣列MEMS光譜式氣敏傳感器一維光子晶體濾波陣列結構示意圖；