[發明專利]一種基于紅外發射和探測集成芯片的紅外氣體傳感器

有效

• 申請號: 201910292648.3
• 申請日: 2019-04-12
• 公開（公告）號: CN110095426B
• 公開（公告）日: 2022-01-07
• 發明（設計）人: 賴建軍
• 申請（專利權）人: 華中科技大學鄂州工業技術研究院;華中科技大學
• 主分類號: G01N21/3518
• 分類號: G01N21/3518;G01N21/359
• 代理公司: 武漢智嘉聯合知識產權代理事務所(普通合伙) 42231
• 代理人: 黃君軍

本發明公開了一種基于紅外發射和探測集成芯片的紅外氣體傳感器，包括基板、蓋板、紅外發射和探測集成芯片和腔體；所述基板與所述蓋板平行設置，所述腔體設置于所述基板與所述蓋板之間，所述紅外發射和探測集成芯片設置于所述基板上并位于所述腔體中；所述腔體的表面設置有紅外反射膜，以使所述紅外發射和探測集成芯片一側發射紅外輻射后，經所述腔體反射傳播，由所述紅外發射和探測集成芯片另一側探測所述紅外輻射。本發明通過采用了特定結構的紅外發射和探測集成芯片以及獨立的腔體結構，使傳感器結構簡單緊湊，光能損失較小，制造成本更低。

技術領域

本發明涉及氣體傳感技術領域，特別為一種基于紅外發射和探測集成芯片的紅外氣體傳感器。

背景技術

紅外氣體傳感器是一種基于不同氣體分子的近紅外光譜選擇吸收特性，利用氣體濃度與吸收強度關系鑒別氣體組分并確定其濃度的氣體傳感裝置。目前，傳統的紅外氣體傳感器采用分離部件如紅外光發射源、窄帶濾光片、氣室和紅外光探測器等組成，導致傳感器難以薄型化和微小型化，同時也難以降低功耗和成本，給便攜式智能氣體測量系統如智能手機等應用帶來困難。采用微納加工批量加工技術將上述分離部件部分或全部集成到同一襯底上有利于減小厚度和體積，同時還可能減少功耗和成本。專利CN105181621A公開了一種由微型氣室及硅集成模塊鍵合構成的全集成式紅外氣體傳感器，其中集成模塊包含硅襯底以及硅襯底上的紅外光源和紅外探測器，微型氣室則是上下兩個開有V型槽的硅片鍵合構成；但是該專利的紅外光源和探測器仍然是分離的器件，難以微小型化或實現薄型化。專利CN103245634B公開了一種含有凹坑的上下硅片鍵合的集成式微型紅外氣體傳感器，其中凹坑區域形成中空的氣室；該專利雖然具有緊湊的結構和比較薄的厚度，但是當光源、探測器和氣室均在硅片上集成時，工藝集成難度大，同時凹坑區域占用大量的硅片表面面積，使得光源和探測器的集成密度低，導致器件成本上升。

發明內容

本發明的目的在于，提供一種基于紅外發射和探測集成芯片的紅外氣體傳感器用于解決現有技術中紅外氣體傳感器結構復雜，集成難度大，光能損失大，成本較高等問題。

為解決上述技術問題，本發明提供一種基于紅外發射和探測集成芯片的紅外氣體傳感器，其特征在于，包括基板、蓋板、紅外發射和探測集成芯片和腔體；基板與蓋板平行設置，腔體設置于基板與蓋板之間，紅外發射和探測集成芯片設置于基板上并位于腔體中；腔體的表面設置有紅外反射膜，以使紅外發射和探測集成芯片一側發射紅外輻射后，經腔體反射傳播，由紅外發射和探測集成芯片另一側探測紅外輻射。

在本發明的第一實施方式中，基于紅外發射和探測集成芯片的紅外氣體傳感器還包括卡槽、凹槽和鍵合線；卡槽垂直設置于基板上，基板和蓋板中設置有圖形相同且位置相對應的凹槽，通過鍵合線將基板和蓋板以凹槽位置相對應的方式配合固定并形成腔體。

其中，腔體為相互交疊的雙環形閉合結構。

其中，卡槽設置于雙環形閉合結構的交疊通道中，且紅外發射和探測集成芯片設置于卡槽中。

在本發明的第二實施方式中，基于紅外發射和探測集成芯片的紅外氣體傳感器還包括第一圓柱筒和第二圓柱筒，且第一圓柱筒和第二圓柱筒為高度相同但半徑不同的圓柱筒；第一圓柱筒和第二圓柱筒垂直設置于基板與蓋板之間，第一圓柱筒與第二圓柱筒同軸嵌套，通過基板、蓋板、第一圓柱筒和第二圓柱筒圍合形成腔體。

在前述任一實施方式中，蓋板上設置有與腔體相連通的通氣孔，用于向腔體中導入氣體或由腔體向外排出氣體。

在前述任一實施方式中，紅外發射和探測集成芯片包括透明襯底、紅外發射芯片、紅外探測芯片和微光學單元；透明襯底包括相對應的第一表面和第二表面，紅外探測芯片包括第一探測芯片和第二探測芯片，微光學單元包括第一微光學單元和第二微光學單元；第一表面上設置有紅外發射芯片和紅外探測芯片，且第一探測芯片和第二探測芯片分別設置于紅外發射芯片的兩側；第二表面上設置有微光學單元，且在垂直于透明襯底表面的方向上，第一微光學單元與第一探測芯片位置對應，第二微光學單元與第二探測芯片位置對應。