一種全集成紅外氣體傳感器制造技術

本發明專利技術屬于氣體傳感器技術領域，提出了一種全集成紅外氣體傳感器，由微型氣室與集成模塊鍵合構成，其中，集成模塊包括硅襯底以及硅襯底上的紅外光源、紅外探測器和信號處理電路；微型氣室由上、下硅片鍵合構成，所述上硅片開設氣孔，所述下硅片開設V型微槽、與上硅片及其氣孔組合形成光腔，V型微槽兩端開設紅外光源窗口和紅外敏感元窗口；所述紅外光源、紅外探測器分別與紅外光源窗口、紅外敏感元窗口對應設置。本發明專利技術微型氣室采用上、下硅片鍵合的結構設計，有效減小氣室體積；且蛇形的V型微槽能夠增加光程長度、提高測量精度；即本發明專利技術提供全集成紅外氣體傳感器具有體積小、測量精度高、制備成本低的優點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于氣體傳感器
，涉及紅外氣體傳感器，具體為一種全集成紅外傳感器。
技術介紹
紅外氣體傳感器有著廣泛的用途，例如礦井爆炸性氣體動態檢測，大氣溫室氣體動態檢測，家居有害氣體檢測等等。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，朗博-比爾定理闡述:光被透明介質吸收的比例與入射光強度無關，只與透明介質的濃度和光程長度有關，其公式定義為A = K*L*C，A為氣體的吸光度，L為光程長度，C為被測氣體濃度，K為被測氣體的吸光系數。由公式可知，當被測氣體確定時，且被測氣體濃度確定，則增加光程長度，可增加被測氣體對光的吸收；且當已知被測氣體種類，通過探測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的化學鍵或官能團的原子處于不斷振動狀態，其振動頻率與紅外光的振動頻率相當，所以，當紅外光照射物質分子時，分子中的化學鍵或官能團可發生振動吸收，不同的化學鍵或官能團吸收不同頻率的紅外光；故不同物質會使紅外光在不同頻段產生衰減，從而可以獲得分子中含有何種化學鍵或官能團的信息，從而判斷物質的種類。通過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氣體濃度和氣體種類功能的紅外氣體傳感器。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(檢測特定氣體濃度時需加，檢測氣體種類時不加)、紅外敏感元；紅外光源在斬波信號Τ6的調制、驅動下，發出脈沖紅外光，同時，被測氣體通過設置在氣室上的通氣孔進入氣室；被調制紅外光在氣室中傳播且穿透被測氣體，與此同時，特定波段的紅外光將被被測氣體吸收從而產生衰減，衰減后的紅外光被紅外敏感元探測后，產生比閥值(不衰減時的峰峰值)小的信號；通過與閥值的比較，且通過特定公式即可計算出被測氣體的濃度；同時通過判斷紅外光在何波段產生衰減可判斷被測氣體的種類；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，當增加光程長度，氣體對紅外光的吸收增加，從而使被紅外敏感源吸收的紅外光衰減的更多，使得敏感源產生的信號峰峰值和閥值的差增加，從而使數據精度提高。為了提高紅外傳感器的精度，需要足夠長的氣室以增加光程長度。而制作氣室的傳統材料主要有塑料、玻璃、金屬，這些材料制作氣室體積大，且配合后端電路時，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，使紅外傳感器無法向小型化、高集成度的方向發展，同時也使得傳感器不能很好的應用到其他小型系統上。大體積的傳感器無疑會增加器件成本且造成對有限材料資源的浪費。
技術實現思路
本專利技術的目的在于針對現有紅外氣體傳感器存在的問題提出了一種全集成紅外氣體傳感器，它具有體積小、測量精度高、成本低等優點。本專利技術的技術方案為:—種全集成紅外氣體傳感器，由微型氣室與集成模塊鍵合構成，其中，集成模塊包括硅襯底以及硅襯底上的紅外光源、紅外探測器和信號處理電路；微型氣室由上、下硅片鍵合構成，所述上硅片開設氣孔，所述下硅片開設V型微槽、與上硅片及其氣孔組合形成光腔，V型微槽兩端開設紅外光源窗口和紅外敏感元窗口 ；所述紅外光源、紅外探測器分別與紅外光源窗口、紅外敏感元窗口對應設置。優選的，所述V型微槽呈蛇形，氣孔與V型微槽對應開設，形成光腔通過氣孔與被測氣體相通。所述信號處理電路包括紅外信號放大模塊、AD轉換模塊、中央處理器、數字信號處理(DSP)模塊、紅外光源驅動模塊、鋁互聯線、電源管理模塊、金絲鍵合焊盤，傳感器通過鍵合焊盤上鍵合的金絲與外部系統連接，所述紅外光源由紅外光源驅動電路驅動，所述紅外探測器的輸出信號經過紅外探測器信號放大電路傳輸至AD轉換模塊，轉換得到數字信號傳輸至數字信號處理(DSP)模塊進行信號處理，電源管理模塊為各模塊供電，鋁制互聯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通信。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構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(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，最終形成一個切面為V型或梯形(腐蝕時間)凹槽，且(111)面和(100)面夾角為35.3度，且(111)面非常光滑。本專利技術中，所述紅外光源能夠發射與被測氣體特征紅外吸收波長相對應的紅外光；所述紅外探測器能夠測量與被測氣體特征紅外吸收波長相對應的紅外光的強度；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，光腔通過氣孔與外界氣氛相通，即被測氣體通過氣孔擴散到光腔；紅外光源發射的紅外光通過紅外光源窗口進入光腔經過多次反射后，通過紅外敏感元窗口照射到紅外探測器，紅外探測器通過測量紅外波長、強度的變化情況，得到被測氣體的種類及濃度。本專利技術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、下硅片鍵合的結構設計，有效減小氣室體積；且蛇形的V型微槽能夠增加光程長度、提高測量精度，與微槽對應設置的氣孔能夠縮短氣體擴散長度、提高響應速度。集成模塊采用集成技術將紅外光源、紅外探測器與信號處理電路集成在同一硅襯底上，進一步減小了系統體積；且能夠有效縮短各子電路的互連線，能降低噪聲，提高系統測量精度。另外，本專利技術微型氣室采用半導體微細加工技術制備，如光刻、濕法腐蝕、鍍膜和鍵合等；微型氣室與集成模塊通過鍵合層鍵合，有效提高裝配精度；本專利技術傳感器能夠實現大批量、自動生產，能提尚生廣效率，降低成本。綜上所述，本專利技術全集成紅外氣體傳感器具有體積小、測量精度高、制備成本低的優點，有效拓展紅外氣體測量技術的應用范圍，適用于更多的電子設備，如手機、智能手表、多功能手環等便攜式電子設備，如室內空氣質量分析儀、車載空氣質量分析儀、空調空氣質量分析儀等低成本消費類電子設備，如呼吸診療儀、微型氣相紅外光譜儀等新型電子設備。【附圖說明】圖1是全集成紅外氣體傳感器結構示意圖。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。圖3是集成模塊的信號處理電路、紅外敏感源、紅外光源示意圖。圖4是微型氣室的下娃片的結構不意圖，其中，C為底視圖，D為頂視圖。圖5是微型氣室的下娃片的表面圖形不意圖。圖6是微型氣室的上娃片的結構不意圖，其中，E為底視圖，F為頂視圖。圖7是微型氣室的上娃片的表面圖形不意圖。圖8是微型氣室裝配圖。圖9是集成工藝完成的晶圓圖及激光切割不意圖。圖10是光線在氣室中傳播示意圖。附圖標記:微型氣室I ;V型微槽101、氣孔102、氣孔外孔102a、氣孔內孔102b、紅外光源窗口 103、紅外敏感元窗口 104、抗氧化保護層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 ;紅外信號放大模塊201、AD轉換模塊202、中央處理器203、數字信號處本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種全集成紅外氣體傳感器，由微型氣室與集成模塊鍵合構成，其中，集成模塊包括硅襯底以及硅襯底上的紅外光源、紅外探測器和信號處理電路；微型氣室由上、下硅片鍵合構成，所述上硅片開設氣孔，所述下硅片開設V型微槽、與上硅片及其氣孔組合形成光腔，V型微槽兩端開設紅外光源窗口和紅外敏感元窗口；所述紅外光源、紅外探測器分別與紅外光源窗口、紅外敏感元窗口對應設置。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：吳傳貴，吳勤勤，帥垚，羅文博，潘忻強，孫翔宇，白曉園，
申請(專利權)人：電子科技大學，
類型：發明
國別省市：四川;51