一种全集成红外气体传感器制造技术

本发明专利技术属于气体传感器技术领域，提出了一种全集成红外气体传感器，由微型气室与集成模块键合构成，其中，集成模块包括硅衬底以及硅衬底上的红外光源、红外探测器和信号处理电路；微型气室由上、下硅片键合构成，所述上硅片开设气孔，所述下硅片开设V型微槽、与上硅片及其气孔组合形成光腔，V型微槽两端开设红外光源窗口和红外敏感元窗口；所述红外光源、红外探测器分别与红外光源窗口、红外敏感元窗口对应设置。本发明专利技术微型气室采用上、下硅片键合的结构设计，有效减小气室体积；且蛇形的V型微槽能够增加光程长度、提高测量精度；即本发明专利技术提供全集成红外气体传感器具有体积小、测量精度高、制备成本低的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于气体传感器
，涉及红外气体传感器，具体为一种全集成红外传感器。
技术介绍
红外气体传感器有着广泛的用途，例如矿井爆炸性气体动态检测，大气温室气体动态检测，家居有害气体检测等等。红外气体传感器的基本原理是以朗博-比尔定理和红外吸收光谱为基础，朗博-比尔定理阐述:光被透明介质吸收的比例与入射光强度无关，只与透明介质的浓度和光程长度有关，其公式定义为A = K*L*C，A为气体的吸光度，L为光程长度，C为被测气体浓度，K为被测气体的吸光系数。由公式可知，当被测气体确定时，且被测气体浓度确定，则增加光程长度，可增加被测气体对光的吸收；且当已知被测气体种类，通过探测在固定光程的情况下红外光的吸收情况可以得到气体浓度。红外吸收光谱的基本原理是组成物质的化学键或官能团的原子处于不断振动状态，其振动频率与红外光的振动频率相当，所以，当红外光照射物质分子时，分子中的化学键或官能团可发生振动吸收，不同的化学键或官能团吸收不同频率的红外光；故不同物质会使红外光在不同频段产生衰减，从而可以获得分子中含有何种化学键或官能团的信息，从而判断物质的种类。通过朗博比尔定理以及红外吸收光谱的基本原理，我们可以制作出具有探测气体浓度和气体种类功能的红外气体传感器。红外传感器的基本部件主要有红外光源Tl、气室T2、滤光片T4(检测特定气体浓度时需加，检测气体种类时不加)、红外敏感元；红外光源在斩波信号Τ6的调制、驱动下，发出脉冲红外光，同时，被测气体通过设置在气室上的通气孔进入气室；被调制红外光在气室中传播且穿透被测气体，与此同时，特定波段的红外光将被被测气体吸收从而产生衰减，衰减后的红外光被红外敏感元探测后，产生比阀值(不衰减时的峰峰值)小的信号；通过与阀值的比较，且通过特定公式即可计算出被测气体的浓度；同时通过判断红外光在何波段产生衰减可判断被测气体的种类；这便是红外传感器的基本工作原理。由朗博-比尔定理和红外传感器的基本原理可知，当增加光程长度，气体对红外光的吸收增加，从而使被红外敏感源吸收的红外光衰减的更多，使得敏感源产生的信号峰峰值和阀值的差增加，从而使数据精度提高。为了提高红外传感器的精度，需要足够长的气室以增加光程长度。而制作气室的传统材料主要有塑料、玻璃、金属，这些材料制作气室体积大，且配合后端电路时，后端电路需要制作在PCB板上，这不利于与目前主流的硅集成工艺兼容，使红外传感器无法向小型化、高集成度的方向发展，同时也使得传感器不能很好的应用到其他小型系统上。大体积的传感器无疑会增加器件成本且造成对有限材料资源的浪费。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有红外气体传感器存在的问题提出了一种全集成红外气体传感器，它具有体积小、测量精度高、成本低等优点。本专利技术的技术方案为:—种全集成红外气体传感器，由微型气室与集成模块键合构成，其中，集成模块包括硅衬底以及硅衬底上的红外光源、红外探测器和信号处理电路；微型气室由上、下硅片键合构成，所述上硅片开设气孔，所述下硅片开设V型微槽、与上硅片及其气孔组合形成光腔，V型微槽两端开设红外光源窗口和红外敏感元窗口 ；所述红外光源、红外探测器分别与红外光源窗口、红外敏感元窗口对应设置。优选的，所述V型微槽呈蛇形，气孔与V型微槽对应开设，形成光腔通过气孔与被测气体相通。所述信号处理电路包括红外信号放大模块、AD转换模块、中央处理器、数字信号处理(DSP)模块、红外光源驱动模块、铝互联线、电源管理模块、金丝键合焊盘，传感器通过键合焊盘上键合的金丝与外部系统连接，所述红外光源由红外光源驱动电路驱动，所述红外探测器的输出信号经过红外探测器信号放大电路传输至AD转换模块，转换得到数字信号传输至数字信号处理(DSP)模块进行信号处理，电源管理模块为各模块供电，铝制互联线用于各模块之间形成电气连接，中央处理器控制各模块、以及传感器与外部系统通信。所述微型气室的上、下硅片均采用单晶硅基片，所述气孔和V型微槽采用各向异性腐蚀工艺制备。所述的单晶硅的各向异性腐蚀是由于具有金刚石结构的硅单晶体不同晶面上的原子排列密度不同而造成的，各晶面的腐蚀速率取决于晶面原子晶格密度和有效键密度，对于硅单晶(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，腐蚀时(100)面腐蚀速度最快，(111)面腐蚀速度最慢；由于各面腐蚀速度的差异，最终形成一个切面为V型或梯形(腐蚀时间)凹槽，且(111)面和(100)面夹角为35.3度，且(111)面非常光滑。本专利技术中，所述红外光源能够发射与被测气体特征红外吸收波长相对应的红外光；所述红外探测器能够测量与被测气体特征红外吸收波长相对应的红外光的强度；所述微气室由两片硅衬底键合而成，下硅片上的V型微槽与上硅片及其上的气孔组合形成光腔，光腔通过气孔与外界气氛相通，即被测气体通过气孔扩散到光腔；红外光源发射的红外光通过红外光源窗口进入光腔经过多次反射后，通过红外敏感元窗口照射到红外探测器，红外探测器通过测量红外波长、强度的变化情况，得到被测气体的种类及浓度。本专利技术提供一种全集成红外气体传感器，包括微型气室与集成模块。微型气室采用上、下硅片键合的结构设计，有效减小气室体积；且蛇形的V型微槽能够增加光程长度、提高测量精度，与微槽对应设置的气孔能够缩短气体扩散长度、提高响应速度。集成模块采用集成技术将红外光源、红外探测器与信号处理电路集成在同一硅衬底上，进一步减小了系统体积；且能够有效缩短各子电路的互连线，能降低噪声，提高系统测量精度。另外，本专利技术微型气室采用半导体微细加工技术制备，如光刻、湿法腐蚀、镀膜和键合等；微型气室与集成模块通过键合层键合，有效提高装配精度；本专利技术传感器能够实现大批量、自动生产，能提尚生广效率，降低成本。综上所述，本专利技术全集成红外气体传感器具有体积小、测量精度高、制备成本低的优点，有效拓展红外气体测量技术的应用范围，适用于更多的电子设备，如手机、智能手表、多功能手环等便携式电子设备，如室内空气质量分析仪、车载空气质量分析仪、空调空气质量分析仪等低成本消费类电子设备，如呼吸诊疗仪、微型气相红外光谱仪等新型电子设备。【附图说明】图1是全集成红外气体传感器结构示意图。图2是全集成红外气体传感器装配图，其中，A为顶视图，B为底视图。图3是集成模块的信号处理电路、红外敏感源、红外光源示意图。图4是微型气室的下娃片的结构不意图，其中，C为底视图，D为顶视图。图5是微型气室的下娃片的表面图形不意图。图6是微型气室的上娃片的结构不意图，其中，E为底视图，F为顶视图。图7是微型气室的上娃片的表面图形不意图。图8是微型气室装配图。图9是集成工艺完成的晶圆图及激光切割不意图。图10是光线在气室中传播示意图。附图标记:微型气室I ;V型微槽101、气孔102、气孔外孔102a、气孔内孔102b、红外光源窗口 103、红外敏感元窗口 104、抗氧化保护层105、金属锡薄膜106、金属金薄膜107、金属铬薄膜108、S12薄膜109、S12薄膜110、金属铬薄膜111、金属金薄膜112、S12薄膜113、S12薄膜114、金属铬薄膜115、金属金薄膜116 ;集成模块2 ;红外信号放大模块201、AD转换模块202、中央处理器203、数字信号处本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全集成红外气体传感器，由微型气室与集成模块键合构成，其中，集成模块包括硅衬底以及硅衬底上的红外光源、红外探测器和信号处理电路；微型气室由上、下硅片键合构成，所述上硅片开设气孔，所述下硅片开设V型微槽、与上硅片及其气孔组合形成光腔，V型微槽两端开设红外光源窗口和红外敏感元窗口；所述红外光源、红外探测器分别与红外光源窗口、红外敏感元窗口对应设置。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴传贵，吴勤勤，帅垚，罗文博，潘忻强，孙翔宇，白晓园，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51