一種氣室封裝一體化的紅外氣體傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種氣室封裝一體化的紅外氣體傳感器，包括一體化封裝的氣室、紅外光源和敏感元；所述氣室包括頂平面(2)、底平面和橢圓內(nèi)壁；兩個(gè)旋轉(zhuǎn)橢圓(1)具有共同的焦點(diǎn)O，焦點(diǎn)O和敏感元(4)所在的點(diǎn)位為旋轉(zhuǎn)橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn)，光源5位于底平面上的點(diǎn)O’位置，點(diǎn)O’并與焦點(diǎn)O關(guān)于氣室頂平面(2)的反射內(nèi)壁對(duì)稱，點(diǎn)O’與橢圓內(nèi)壁的下焦點(diǎn)A和A'共水平面。兼具封裝功能的氣室的設(shè)計(jì)采用反射式不僅可增加光程，還避免了傳統(tǒng)封閉式氣室需要?dú)獗贸樗蜌鈳淼母蓴_；本發(fā)明采用晶圓級(jí)對(duì)準(zhǔn)鍵合技術(shù)來組裝敏感元和氣室，兼具低真空保護(hù)的功能。同時(shí)氣室內(nèi)壁采用鍍金橢球面設(shè)計(jì)，紅外光束平行入射到傳感器表面，提高了紅外反射率，降低了光傳導(dǎo)過程的損耗。
【專利說明】一種氣室封裝一體化的紅外氣體傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及紅外氣體傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及的是一種氣室封裝一體化的紅外氣體傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]氣室是指紅外氣體傳感器在檢測(cè)氣體時(shí)，將氣體通入有紅外光經(jīng)過的空間，氣室的尺寸由氣體種類，測(cè)量范圍和分辨率來決定。長(zhǎng)期以來由于傳感器基本為單一光源與分立敏感源集成外加封裝管殼的模式，無法實(shí)現(xiàn)微小型化，致使紅外傳感器沒有得到廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品基本上均為進(jìn)口國(guó)外核心元件進(jìn)行組裝。
[0003]從氣體傳感器的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來看，一方面是性能不斷提高；另一方面是微型化、集成化和低功耗。紅外氣體傳感器隨MEMS和CMOS技術(shù)的發(fā)展，得以實(shí)現(xiàn)紅外光學(xué)氣體檢測(cè)系統(tǒng)的微型化，與傳統(tǒng)氣體傳感器相比較，在穩(wěn)定性、功耗、靈敏度、可靠性、使用壽命、極快的響應(yīng)恢復(fù)及成本等方面，都有顯著的優(yōu)勢(shì)。
[0004]武漢國(guó)家光電子實(shí)驗(yàn)室成功地將熱輻射紅外發(fā)射和探測(cè)結(jié)構(gòu)集成在同一 Si襯底上，并且配合管殼氣室制成了紅外CO2傳感器，該傳感器僅能夠探測(cè)CO2氣體，且集成度低。復(fù)旦大學(xué)于2010年使用MEMS結(jié)構(gòu)的紅外輻射源與紅外探測(cè)器，在一個(gè)中空光纖中集成制造了新型CO2紅外傳感器，相應(yīng)時(shí)間小于10s。中科院微電子所于2010年提出來基于光子晶體陣列濾波器結(jié)構(gòu)的紅外MEMS氣體傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)多種氣體探測(cè)的高靈敏度探測(cè)。但是上述兩種MEMS紅外探測(cè)器均因氣室體積大，為降低環(huán)境干擾和噪聲，仍需對(duì)其進(jìn)行封裝保護(hù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種氣室封裝一體化的多氣體檢測(cè)紅外氣體傳感器。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]本發(fā)明首先提供一種氣室封裝一體化的紅外氣體傳感器，包括一體化封裝的氣室、紅外光源和敏感元；所述氣室包括頂平面(2)、底平面和橢圓內(nèi)壁；兩個(gè)旋轉(zhuǎn)橢圓(I)具有共同的焦點(diǎn)0,焦點(diǎn)0和敏感元(4)所在的點(diǎn)位為旋轉(zhuǎn)橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn),光源(5)位于底平面上的點(diǎn)0’位置，點(diǎn)0’并與焦點(diǎn)0關(guān)于氣室頂平面(2)的反射內(nèi)壁對(duì)稱，點(diǎn)0’與橢圓內(nèi)壁的下焦點(diǎn)A和A’共水平面。
[0008]所述的紅外氣體傳感器，所述氣室的橢圓內(nèi)壁進(jìn)行鍍金，以降低反射損耗。
[0009]所述的紅外氣體傳感器，所述頂平面(2)上開有與外界交換氣體的小孔。
[0010]所述的紅外氣體傳感器，所述敏感元(4)均布在經(jīng)過光源(5)的橢圓的焦點(diǎn)上。
[0011]所述的紅外氣體傳感器，采用晶圓級(jí)對(duì)準(zhǔn)鍵合技術(shù)組裝敏感元和氣室，氣室兼具低真空保護(hù)的功能，
[0012]所述的紅外氣體傳感器，所述紅外光源為納米表面修飾紅外光源(56)。[0013]所述的紅外氣體傳感器，包括四個(gè)即敏感元，分別為:第一敏感元(51)、第二敏感元(52)、第三敏感元(53)和參比敏感元(54)，四個(gè)敏感元均布在以納米表面修飾紅外光源(56)為圓心的圓周上，其中第一敏感元(51)、第二敏感元(52)之間設(shè)置兩個(gè)隔熱溝道(55)，第三敏感元(53)和參比敏感元(54)之間也設(shè)置兩個(gè)同樣的隔熱溝道(55);四個(gè)敏感元和納米表面修飾紅外光源(56)外圍均由熱隔離墻(57)實(shí)現(xiàn)相互之間的熱隔離，降低熱串?dāng)_的影響；參比敏感元的窄帶濾波片波段覆蓋第一敏感元(51)、第二敏感元(52)、第三敏感元(53)，通過參比敏感元對(duì)其他三個(gè)傳感器的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和補(bǔ)償修正。
[0014]進(jìn)一步的，本發(fā)明提供上述納米表面修飾紅外光源(56)的制備工藝，步驟如下:
[0015](a)、在單晶硅襯底(61)上生長(zhǎng)氮化硅(62)，實(shí)驗(yàn)條件:溫度780°C，330mTorr，SiH2Cl2:24sccm, NH3:90sccm
[0016](b)、非晶硅(63)的淀積:溫度為270°C，氣體比例分別為SIH4:24% NH3:55% N2:
5.2% RF:170 ；
[0017](C)、Al濺射和退火:磁控濺射Al，條件:氣壓IOmTorr，通入Ar滿足氣壓條件后，設(shè)置RF為8400W，然后在450°C下90min時(shí)間進(jìn)行退火處理；
[0018](d)、濕法腐蝕Al膜:采用常規(guī)的Al腐蝕液，腐蝕后樣品表面剩下Al-Si化合物顆粒;
[0019](e)、非晶硅干法刻蝕:采用 Cl2I8Osccm,壓力 300mTorr，RF350W, He2OOsccm,溫度35-40°C,刻蝕完成后僅剩下表 面的金屬娃化物；
[0020](f)、正面釋放孔的刻蝕，為釋放單晶硅襯底做準(zhǔn)備:氣體CHF37sCCm，HelOOsccm,SF630sccm, RF150W，壓力400mTorr ;采用磁控濺射的方法，濺射40-50A的TiN包覆金屬硅化物和非晶娃外層，條件為Ar22.4sccm,N23.0sccm,壓力為5e_3Torr,功率為1000W,真空度為 8e-7Pa ；
[0021](g)、XeF2正面釋放硅襯底，形成微懸臂梁對(duì)紅外光源進(jìn)行支撐，條件為XeF24Torr, N220mTorr，溫度為 2(TC。
[0022]進(jìn)一步的，本發(fā)明提供上述的參比敏感元對(duì)其他三個(gè)傳感器的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和補(bǔ)償修正的方法，具體步驟為:所述紅外氣體濃度傳感器的輸出信號(hào)分為參比敏感元的輸出信號(hào)uRef.與檢測(cè)通道的輸出信號(hào)Uikt.,兩輸出信號(hào)URef.>UAct.與目標(biāo)氣體對(duì)紅外光的吸收率
7~有如下關(guān)系:
1O
[0023]
-^-=—(I)
^Re/.1。
[0024]10:入射光強(qiáng)，即紅外光源經(jīng)窄帶光學(xué)濾波片濾光后入射參照通道與檢測(cè)通道的紅外光強(qiáng)度，一般在氮?dú)鈼l件下測(cè)得；
[0025]1:透射光強(qiáng)，即紅外氣體濃度傳感器檢測(cè)通道內(nèi)由目標(biāo)氣體吸收后的紅外光強(qiáng)度；
[0026]基于只局限于單色光的郎伯-比爾定律-.1=10 exp(- e ICn) (2)
[0027]C:目標(biāo)氣體濃度；
[0028]e:目標(biāo)氣體對(duì)紅外光的吸收系數(shù)；[0029]1:目標(biāo)氣體入射光程；
[0030]n:修正常數(shù),依賴于光程與目標(biāo)氣體成分；
[0031]紅外光源經(jīng)窄帶光學(xué)濾波片濾光后入射檢測(cè)通道的紅外光在其波長(zhǎng)范圍內(nèi)必然存在一些波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光不會(huì)被目標(biāo)氣體吸收，即存在非吸收波段，因此，將式(2)轉(zhuǎn)換
為:
[0032]
【權(quán)利要求】
1.一種氣室封裝一體化的紅外氣體傳感器，其特征在于，包括一體化封裝的氣室、紅外光源和敏感元；所述氣室包括頂平面(2)、底平面和橢圓內(nèi)壁；兩個(gè)旋轉(zhuǎn)橢圓(I)具有共同的焦點(diǎn)0,焦點(diǎn)O和敏感元(4)所在的點(diǎn)位為旋轉(zhuǎn)橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn),光源(5)位于底平面上的點(diǎn)0’位置，點(diǎn)0’并與焦點(diǎn)0關(guān)于氣室頂平面(2)的反射內(nèi)壁對(duì)稱，點(diǎn)0’與橢圓內(nèi)壁的下焦點(diǎn)A和A’共水平面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外氣體傳感器，其特征在于，所述氣室的橢圓內(nèi)壁進(jìn)行鍍金，以降低反射損耗。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外氣體傳感器，其特征在于，所述頂平面(2)上開有與外界交換氣體的小孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外氣體傳感器，其特征在于，所述敏感元(4)均布在經(jīng)過光源(5)的橢圓的焦點(diǎn)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外氣體傳感器，其特征在于，采用晶圓級(jí)對(duì)準(zhǔn)鍵合技術(shù)組裝敏感元和氣室，氣室兼具低真空保護(hù)的功能。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外氣體傳感器，其特征在于，所述紅外光源為納米表面修飾紅外光源(56)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的紅外氣體傳感器，其特征在于，包括四個(gè)即敏感元，分別為:第一敏感元(51)、第二敏感元(52)、第三敏感元(53)和參比敏感元(54)，四個(gè)敏感元均布在以納米表面修飾紅外光源(56)為圓心的圓周上，其中第一敏感元(51)、第二敏感元(52)之間設(shè)置一個(gè)L型的隔熱溝道(55)，第三敏感元(53)和參比敏感元(54)之間也設(shè)置一個(gè)L型的隔熱溝道(55);四個(gè)敏感元和納米表面修飾紅外光源(56)外圍均由熱隔離墻(57)實(shí)現(xiàn)相互之間的熱隔離，降低熱串?dāng)_的影響；參比敏感元的窄帶濾波片波段覆蓋第一敏感元(51)、第二敏感元(52)、第三敏感元(53)，通過參比敏感元對(duì)其他三個(gè)傳感器的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和補(bǔ)償修正。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的紅外氣體傳感器，其特征在于，所述納米表面修飾紅外光源(56)的制備工藝如下: (a)、在單晶硅襯底(61)上生長(zhǎng)氮化硅(62)，實(shí)驗(yàn)條件:溫度780°C，330mTorr，SiH2Cl2:24sccm，NH3:90sccm ； (b)、非晶硅(63)的淀積:溫度為270°C，氣體比例分別為SIH4:24% NH3:55%N2:5.2%RF:170 ； (c)、Al濺射和退火:磁控濺射Al，條件:氣壓IOmTorr，通入Ar滿足氣壓條件后，設(shè)置RF為8400W，然后在450°C下90min時(shí)間進(jìn)行退火處理； (d)、濕法腐蝕Al膜:采用常規(guī)的Al腐蝕液，腐蝕后樣品表面剩下Al-Si化合物顆粒； (e)、非晶硅干法刻蝕:采用Cl2180sccm,壓力 300mTorr, RF350W, He200sccm,溫度35-40°C,刻蝕完成后形成表面金屬娃化物組成的微掩蔽結(jié)構(gòu)； (f)、正面釋放孔的刻蝕，為釋放單晶硅襯底做準(zhǔn)備:氣體CHF37sCCm，HelOOsccm,SF630sccm, RF150W，壓力400mTorr ;采用磁控濺射的方法，濺射40-50A的TiN包覆金屬硅化物和非晶娃外層，條件為Ar22.4sccm,N23.0sccm,壓力為5e_3Torr,功率為1000W,真空度為 8e-7Pa ； (g)、XeF2正面釋放硅襯底，形成微懸臂梁對(duì)紅外光源進(jìn)行支撐，條件為XeF24Torr，N22OmTorr,溫度為 20°C。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的紅外氣體傳感器，其特征在于，參比敏感元對(duì)其他三個(gè)傳感器的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和補(bǔ)償修正的方法為:所述紅外氣體濃度傳感器的輸出信號(hào)分為參比敏感兀的輸出信號(hào)uRef.與檢測(cè)通道的輸出信號(hào)Uikt.,兩輸出信號(hào)URef.>UAct.與目標(biāo)氣體對(duì)紅外光的吸收率
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的紅外氣體傳感器，其特征在于，參比敏感元對(duì)其他三個(gè)傳感器的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和補(bǔ)償修正的方法中還包括環(huán)境參量的補(bǔ)償，具體包括溫度補(bǔ)償機(jī)制、濕度補(bǔ)償機(jī)制和壓強(qiáng)補(bǔ)償機(jī)制；具體步驟如下； 溫度補(bǔ)償機(jī)制為: 引入溫度補(bǔ)償參數(shù)X，結(jié)合溫度關(guān)系補(bǔ)償紅外氣體濃度傳感器內(nèi)目標(biāo)氣體對(duì)紅外光的吸收率f’定義溫度補(bǔ)償后紅外氣體濃度傳感器內(nèi)目標(biāo)氣體對(duì)紅外光的吸收率:
【文檔編號(hào)】G01N21/17GK103528957SQ201310500966
【公開日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月23日
【發(fā)明者】譚秋林, 陳媛靖, 楊明亮, 熊繼軍, 薛晨陽, 張文棟, 劉俊, 李超 申請(qǐng)人:中北大學(xué)