一種全集成紅外氣體傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域，涉及紅外氣體傳感器，具體為一種全集成紅外傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]紅外氣體傳感器有著廣泛的用途，例如礦井爆炸性氣體動(dòng)態(tài)檢測(cè)，大氣溫室氣體動(dòng)態(tài)檢測(cè)，家居有害氣體檢測(cè)等等。紅外氣體傳感器的基本原理是以朗博-比爾定理和紅外吸收光譜為基礎(chǔ)，朗博-比爾定理闡述:光被透明介質(zhì)吸收的比例與入射光強(qiáng)度無(wú)關(guān)，只與透明介質(zhì)的濃度和光程長(zhǎng)度有關(guān)，其公式定義為A = K*L*C，A為氣體的吸光度，L為光程長(zhǎng)度，C為被測(cè)氣體濃度，K為被測(cè)氣體的吸光系數(shù)。由公式可知，當(dāng)被測(cè)氣體確定時(shí)，且被測(cè)氣體濃度確定，則增加光程長(zhǎng)度，可增加被測(cè)氣體對(duì)光的吸收；且當(dāng)已知被測(cè)氣體種類，通過(guò)探測(cè)在固定光程的情況下紅外光的吸收情況可以得到氣體濃度。紅外吸收光譜的基本原理是組成物質(zhì)的化學(xué)鍵或官能團(tuán)的原子處于不斷振動(dòng)狀態(tài)，其振動(dòng)頻率與紅外光的振動(dòng)頻率相當(dāng)，所以，當(dāng)紅外光照射物質(zhì)分子時(shí)，分子中的化學(xué)鍵或官能團(tuán)可發(fā)生振動(dòng)吸收，不同的化學(xué)鍵或官能團(tuán)吸收不同頻率的紅外光；故不同物質(zhì)會(huì)使紅外光在不同頻段產(chǎn)生衰減，從而可以獲得分子中含有何種化學(xué)鍵或官能團(tuán)的信息，從而判斷物質(zhì)的種類。通過(guò)朗博比爾定理以及紅外吸收光譜的基本原理，我們可以制作出具有探測(cè)氣體濃度和氣體種類功能的紅外氣體傳感器。
[0003]紅外傳感器的基本部件主要有紅外光源Tl、氣室T2、濾光片T4(檢測(cè)特定氣體濃度時(shí)需加，檢測(cè)氣體種類時(shí)不加)、紅外敏感元；紅外光源在斬波信號(hào)Τ6的調(diào)制、驅(qū)動(dòng)下，發(fā)出脈沖紅外光，同時(shí)，被測(cè)氣體通過(guò)設(shè)置在氣室上的通氣孔進(jìn)入氣室；被調(diào)制紅外光在氣室中傳播且穿透被測(cè)氣體，與此同時(shí)，特定波段的紅外光將被被測(cè)氣體吸收從而產(chǎn)生衰減，衰減后的紅外光被紅外敏感元探測(cè)后，產(chǎn)生比閥值(不衰減時(shí)的峰峰值)小的信號(hào)；通過(guò)與閥值的比較，且通過(guò)特定公式即可計(jì)算出被測(cè)氣體的濃度；同時(shí)通過(guò)判斷紅外光在何波段產(chǎn)生衰減可判斷被測(cè)氣體的種類；這便是紅外傳感器的基本工作原理。由朗博-比爾定理和紅外傳感器的基本原理可知，當(dāng)增加光程長(zhǎng)度，氣體對(duì)紅外光的吸收增加，從而使被紅外敏感源吸收的紅外光衰減的更多，使得敏感源產(chǎn)生的信號(hào)峰峰值和閥值的差增加，從而使數(shù)據(jù)精度提高。
[0004]為了提高紅外傳感器的精度，需要足夠長(zhǎng)的氣室以增加光程長(zhǎng)度。而制作氣室的傳統(tǒng)材料主要有塑料、玻璃、金屬，這些材料制作氣室體積大，且配合后端電路時(shí)，后端電路需要制作在PCB板上，這不利于與目前主流的硅集成工藝兼容，使紅外傳感器無(wú)法向小型化、高集成度的方向發(fā)展，同時(shí)也使得傳感器不能很好的應(yīng)用到其他小型系統(tǒng)上。大體積的傳感器無(wú)疑會(huì)增加器件成本且造成對(duì)有限材料資源的浪費(fèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有紅外氣體傳感器存在的問(wèn)題提出了一種全集成紅外氣體傳感器，它具有體積小、測(cè)量精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0006]—種全集成紅外氣體傳感器，由微型氣室與集成模塊鍵合構(gòu)成，其中，集成模塊包括硅襯底以及硅襯底上的紅外光源、紅外探測(cè)器和信號(hào)處理電路；微型氣室由上、下硅片鍵合構(gòu)成，所述上硅片開(kāi)設(shè)氣孔，所述下硅片開(kāi)設(shè)V型微槽、與上硅片及其氣孔組合形成光腔，V型微槽兩端開(kāi)設(shè)紅外光源窗口和紅外敏感元窗口 ；所述紅外光源、紅外探測(cè)器分別與紅外光源窗口、紅外敏感元窗口對(duì)應(yīng)設(shè)置。
[0007]優(yōu)選的，所述V型微槽呈蛇形，氣孔與V型微槽對(duì)應(yīng)開(kāi)設(shè)，形成光腔通過(guò)氣孔與被測(cè)氣體相通。
[0008]所述信號(hào)處理電路包括紅外信號(hào)放大模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、中央處理器、數(shù)字信號(hào)處理(DSP)模塊、紅外光源驅(qū)動(dòng)模塊、鋁互聯(lián)線、電源管理模塊、金絲鍵合焊盤，傳感器通過(guò)鍵合焊盤上鍵合的金絲與外部系統(tǒng)連接，所述紅外光源由紅外光源驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)，所述紅外探測(cè)器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)紅外探測(cè)器信號(hào)放大電路傳輸至AD轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)傳輸至數(shù)字信號(hào)處理(DSP)模塊進(jìn)行信號(hào)處理，電源管理模塊為各模塊供電，鋁制互聯(lián)線用于各模塊之間形成電氣連接，中央處理器控制各模塊、以及傳感器與外部系統(tǒng)通信。
[0009]所述微型氣室的上、下硅片均采用單晶硅基片，所述氣孔和V型微槽采用各向異性腐蝕工藝制備。所述的單晶硅的各向異性腐蝕是由于具有金剛石結(jié)構(gòu)的硅單晶體不同晶面上的原子排列密度不同而造成的，各晶面的腐蝕速率取決于晶面原子晶格密度和有效鍵密度，對(duì)于硅單晶(100)晶面的原子排列密度最小，(111)晶面的原子排列密度最大，因此，腐蝕時(shí)(100)面腐蝕速度最快，(111)面腐蝕速度最慢；由于各面腐蝕速度的差異，最終形成一個(gè)切面為V型或梯形(腐蝕時(shí)間)凹槽，且(111)面和(100)面夾角為35.3度，且
(111)面非常光滑。
[0010]本發(fā)明中，所述紅外光源能夠發(fā)射與被測(cè)氣體特征紅外吸收波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的紅外光；所述紅外探測(cè)器能夠測(cè)量與被測(cè)氣體特征紅外吸收波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的紅外光的強(qiáng)度；所述微氣室由兩片硅襯底鍵合而成，下硅片上的V型微槽與上硅片及其上的氣孔組合形成光腔，光腔通過(guò)氣孔與外界氣氛相通，即被測(cè)氣體通過(guò)氣孔擴(kuò)散到光腔；紅外光源發(fā)射的紅外光通過(guò)紅外光源窗口進(jìn)入光腔經(jīng)過(guò)多次反射后，通過(guò)紅外敏感元窗口照射到紅外探測(cè)器，紅外探測(cè)器通過(guò)測(cè)量紅外波長(zhǎng)、強(qiáng)度的變化情況，得到被測(cè)氣體的種類及濃度。
[0011]本發(fā)明提供一種全集成紅外氣體傳感器，包括微型氣室與集成模塊。微型氣室采用上、下硅片鍵合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效減小氣室體積；且蛇形的V型微槽能夠增加光程長(zhǎng)度、提高測(cè)量精度，與微槽對(duì)應(yīng)設(shè)置的氣孔能夠縮短氣體擴(kuò)散長(zhǎng)度、提高響應(yīng)速度。集成模塊采用集成技術(shù)將紅外光源、紅外探測(cè)器與信號(hào)處理電路集成在同一硅襯底上，進(jìn)一步減小了系統(tǒng)體積；且能夠有效縮短各子電路的互連線，能降低噪聲，提高系統(tǒng)測(cè)量精度。另外，本發(fā)明微型氣室采用半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)制備，如光刻、濕法腐蝕、鍍膜和鍵合等；微型氣室與集成模塊通過(guò)鍵合層鍵合，有效提高裝配精度；本發(fā)明傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)大批量、自動(dòng)生產(chǎn)，能提尚生廣效率，降低成本。
[0012]綜上所述，本發(fā)明全集成紅外氣體傳感器具有體積小、測(cè)量精度高、制備成本低的優(yōu)點(diǎn)，有效拓展紅外氣體測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用范圍，適用于更多的電子設(shè)備，如手機(jī)、智能手表、多功能手環(huán)等便攜式電子設(shè)備，如室內(nèi)空氣質(zhì)量分析儀、車載空氣質(zhì)量分析儀、空調(diào)空氣質(zhì)量分析儀等低成本消費(fèi)類電子設(shè)備，如呼吸診療儀、微型氣相紅外光譜儀等新型電子設(shè)備。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是全集成紅外氣體傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2是全集成紅外氣體傳感器裝配圖，其中，A為頂視圖，B為底視圖。
[0015]圖3是集成模塊的信號(hào)處理電路、紅外敏感源、紅外光源示意圖。
[0016]圖4是微型氣室的下娃片的結(jié)構(gòu)不意圖，其中，C為底視圖，D為頂視圖。
[0017]圖5是微型氣室的下娃片的表面圖形不意圖。
[0018]圖6是微型氣室的上娃片的結(jié)構(gòu)不意圖，其中，E為底視圖，F(xiàn)為頂視圖。
[0019]圖7是微型氣室的上娃片的表面圖形不意圖。
[0020]圖8是微型氣室裝配圖。
[0021]圖9是集成工藝完成的晶圓圖及激光切割不意圖。
[0022]圖10是光線在氣室中傳播示意圖。
[0023]附圖標(biāo)記:微型氣室I ;V型微槽101、氣孔102、氣孔外孔102a、氣孔內(nèi)孔102b、紅外光源窗口 103、紅外敏感元窗口 104、抗氧化保護(hù)層105、金屬錫薄膜106、金屬金薄膜107、金屬鉻薄膜108、S12薄膜109、S12薄膜110、金屬鉻薄膜111、金屬金薄膜112、S12薄膜113、S12薄膜114、金屬鉻薄膜115、金屬金薄膜116 ;集成模塊2 ;紅外信號(hào)放大模塊201、AD轉(zhuǎn)換模塊202、中央處理器203、數(shù)字信號(hào)處理(DSP)模塊204、紅外光源驅(qū)動(dòng)模塊205、鋁互聯(lián)線206、電源管理模塊207、金絲鍵合焊盤208、抗氧化層薄膜209、金屬錫薄膜210、金屬金薄膜211、金屬鉻薄膜212 ;紅外光源3 ;紅外敏感源4。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0025]本實(shí)施例中全集成紅外氣體傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，由微型氣室I和集成模塊2鍵合構(gòu)成，所述微型氣室I是利用Si的各向異性腐蝕技術(shù)制作在(100)取向的單晶硅襯底上，利用各向異性腐蝕形成的V型微槽作為氣體擴(kuò)散和紅外光傳輸?shù)耐ǖ馈?br>[0026]所述的單晶硅的各向異性腐蝕是由于具有金剛石結(jié)構(gòu)的硅單晶體不同晶面上的原子排列密度不同而造成的，各晶面的腐蝕速率取決于晶面原子晶格密度和有效鍵密度，對(duì)于硅單晶(100)晶面的原子排列密度最小，(111)晶面的原子排列密度最大，因此，腐蝕時(shí)(100)面腐蝕速度最快，(111)面腐蝕速度最慢；由于各面腐蝕速度的差異，最終形成一個(gè)切面為V型或梯形(腐蝕時(shí)間)凹槽，且(111)面和(100)面夾角為35.3度，且(111)面非常光滑。且在本實(shí)施例中V型微槽內(nèi)壁鍍有反射率高的金Au薄膜。
[0027]所述微型氣室I是由制備有氣孔102的上硅片和制備有呈蛇形的V型微槽101 (如圖4、圖5所示)、紅外光源窗口 103、紅外敏感元窗口 104的下硅片鍵合構(gòu)成的；紅外光源窗口 103使得紅外光源產(chǎn)生的紅外光通過(guò)窗口進(jìn)入氣室中的光腔、紅外敏感元窗口 104使得信號(hào)處理電路上的紅外敏感源通過(guò)窗口與氣室中的光腔接觸；上、下硅片通過(guò)金錫鍵合集成在一起，同時(shí)保證光路V型微槽101和氣孔102b邊緣對(duì)齊，V型微槽和上硅片及其氣孔組合形成光腔，光腔通過(guò)氣孔與外界氣氛相通，即被測(cè)氣體通過(guò)氣孔擴(kuò)散到光腔。
[0028]本實(shí)