[發明專利]單片集成式微型紅外氣體傳感器

有效

• 申請號: 201310182931.3
• 申請日: 2013-05-16
• 公開（公告）號: CN103245634A
• 公開（公告）日: 2013-08-14
• 發明（設計）人: 譚振新;秦毅恒;張昕;明安杰;歐文;吳健;趙敏;羅九斌;顧強
• 申請（專利權）人: 江蘇物聯網研究發展中心
• 主分類號: G01N21/35
• 分類號: G01N21/35;B81C1/00
• 代理公司: 無錫市大為專利商標事務所 32104
• 代理人: 殷紅梅

技術領域

本發明涉及一種傳感器，尤其是一種紅外氣體傳感器。

背景技術

隨著工業化進程的加快和物聯網產業的發展，智能環境監測系統的開發成為當前研究熱點之一，而氣體探測器作為該系統的核心部分，因此，研制高性能、高集成度的氣體探測器則成為當前的重中之重。關于模塊化集成的氣體探測器，一些研究機構早就做了相關的研究，并制造出樣機雛形，比如：2008年，中北大學設計了一種吸收光譜型氣體紅外傳感器，并提出了一種器件級的集成化設計方案。采用MEMS工藝將紅外雙路敏感元件及濾光片制作成探測頭，然后通過微封裝和微小集成技術將探測頭、紅外光源、過濾網集成在氣室內。英國Cranfield?University大學將紅外熱輻射源、窄帶濾波片、熱釋電傳感器集成在圓柱形管殼中，并對管殼壁進行特殊光學設計及處理，使更多的紅外輻射到達紅外探測器的窗口，極大的提高了器件的靈敏度（高達3500V/W），制作了低成本且高效率的二氧化碳NDIR傳感器。上述兩種方案僅局限于器件的模塊化集成，未真正解決模塊組裝過程中所帶來的各種誤差，甚至器件的失效問題，因此，無法實現高可靠性和微型化的氣體檢測微傳感結構。

隨著技術的進一步革新，這些獨立的器件甚至被集成到了同一襯底上，使得器件體積很小，集成度更高。在《MEMS技術用于紅外器件制作》一文中，JPL實驗室曾成功研制出微機械電子隧道紅外探測器。該探測器采用MEMS（微機電系統）技術實現傳統盒式氣動紅外探測原理，并制作隧道檢測結構取代原有的復雜光學檢測結構，在硅片上用微機械方法加工出氣室微腔。通過檢測由于紅外吸收作用導致的薄膜形變，來實現紅外輻射的測量。該方法實現了微機械電子隧道式探測器和氣室光路的集成化設計，為集成化、微型化的氣體檢測裝置的研究奠定了一定的基礎。武漢國家光電子實驗室成功地將熱輻射紅外光源和探測結構集成在同一襯底上，并利用管殼氣室制成了紅外CO2傳感器。該傳感器的缺點在于僅能夠用于探測CO2氣體，如需探測其它多種氣體，還需使用其它傳感器系統，因此，集成度比較差。雖然在紅外探測器和氣室結構、紅外光源與探測器等方面實現了集成化，但是截至目前為止，還未見紅外探測器、紅外光源、微鏡等多種MEMS結構集成到單一芯片上的高度集成化的微型氣體傳感器有所報道。因此，研究和開發該類集成化微納結構應用前景十分可觀。

發明內容

本發明的目的主要是突破傳統的模塊化的組合、拼湊方式，開發高度集成化的微型紅外氣體傳感器，該傳感器主要是將紅外光源、微鏡、光柵、紅外探測器進行單片集成，通過設置紅外探測器陣列和光柵結構陣列，能夠實現多組分氣體檢測。本發明采用的技術方案是：

一種單片集成式微型紅外氣體傳感器，包括：

具有凹坑的上襯底和具有凹坑的下襯底，以及位于上襯底和下襯底之間的鍵合假片，上襯底、下襯底以及鍵合假片結合在一起，中間形成中空的氣室；

上襯底凹坑的凹陷處設置有紅外光源，上襯底凹坑的側壁具有相對的斜面，在相對的斜面上設置有反射微鏡；紅外光源電連接上襯底外表的電極；

下襯底凹坑的凹陷處分布有一個或多個光柵結構，以及與光柵結構數量相一致的紅外探測器；紅外探測器電連接下襯底外表的電極；

上襯底上紅外光源的位置、下襯底上光柵結構、紅外探測器分布的位置與上襯底凹坑斜面上反射微鏡的位置及傾斜角度相配合，使得紅外光源發出的紅外光經過光柵結構分光后，與被測氣體特征紅外吸收峰對應波段的窄帶紅外光射向反射微鏡，并經反射微鏡反射后準確入射至紅外探測器；

在上襯底、下襯底或鍵合假片上開有與外界交換氣體的通氣孔。

進一步地，所述紅外光源通過TSV通孔與上襯底外表的電極電連接。

進一步地，所述紅外探測器通過TSV通孔與下襯底外表的電極電連接。

進一步地，所述紅外光源采用真空封裝。

進一步地，所述紅外探測器采用真空封裝。

進一步地，上襯底的凹坑呈四棱臺形狀。

進一步地，鍵合假片為單層或多層材料組成，鍵合假片的材料包括硅、氧化硅、氮化硅。

進一步地，所述紅外光源和反射微鏡均采用MEMS工藝加工制作而成。

進一步地，所述紅外探測器和光柵結構均采用MEMS工藝加工制作而成。

進一步地，上襯底、下襯底以及鍵合假片通過鍵合技術鍵合在一起。