[发明专利]单片集成式微型红外气体传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种传感器，尤其是一种红外气体传感器。

背景技术

随着工业化进程的加快和物联网产业的发展，智能环境监测系统的开发成为当前研究热点之一，而气体探测器作为该系统的核心部分，因此，研制高性能、高集成度的气体探测器则成为当前的重中之重。关于模块化集成的气体探测器，一些研究机构早就做了相关的研究，并制造出样机雏形，比如：2008年，中北大学设计了一种吸收光谱型气体红外传感器，并提出了一种器件级的集成化设计方案。采用MEMS工艺将红外双路敏感元件及滤光片制作成探测头，然后通过微封装和微小集成技术将探测头、红外光源、过滤网集成在气室内。英国Cranfield University大学将红外热辐射源、窄带滤波片、热释电传感器集成在圆柱形管壳中，并对管壳壁进行特殊光学设计及处理，使更多的红外辐射到达红外探测器的窗口，极大的提高了器件的灵敏度（高达3500V/W），制作了低成本且高效率的二氧化碳NDIR传感器。上述两种方案仅局限于器件的模块化集成，未真正解决模块组装过程中所带来的各种误差，甚至器件的失效问题，因此，无法实现高可靠性和微型化的气体检测微传感结构。

随着技术的进一步革新，这些独立的器件甚至被集成到了同一衬底上，使得器件体积很小，集成度更高。在《MEMS技术用于红外器件制作》一文中，JPL实验室曾成功研制出微机械电子隧道红外探测器。该探测器采用MEMS（微机电系统）技术实现传统盒式气动红外探测原理，并制作隧道检测结构取代原有的复杂光学检测结构，在硅片上用微机械方法加工出气室微腔。通过检测由于红外吸收作用导致的薄膜形变，来实现红外辐射的测量。该方法实现了微机械电子隧道式探测器和气室光路的集成化设计，为集成化、微型化的气体检测装置的研究奠定了一定的基础。武汉国家光电子实验室成功地将热辐射红外光源和探测结构集成在同一衬底上，并利用管壳气室制成了红外CO2传感器。该传感器的缺点在于仅能够用于探测CO2气体，如需探测其它多种气体，还需使用其它传感器系统，因此，集成度比较差。虽然在红外探测器和气室结构、红外光源与探测器等方面实现了集成化，但是截至目前为止，还未见红外探测器、红外光源、微镜等多种MEMS结构集成到单一芯片上的高度集成化的微型气体传感器有所报道。因此，研究和开发该类集成化微纳结构应用前景十分可观。

发明内容

本发明的目的主要是突破传统的模块化的组合、拼凑方式，开发高度集成化的微型红外气体传感器，该传感器主要是将红外光源、微镜、光栅、红外探测器进行单片集成，通过设置红外探测器阵列和光栅结构阵列，能够实现多组分气体检测。本发明采用的技术方案是：

一种单片集成式微型红外气体传感器，包括：

具有凹坑的上衬底和具有凹坑的下衬底，以及位于上衬底和下衬底之间的键合假片，上衬底、下衬底以及键合假片结合在一起，中间形成中空的气室；

上衬底凹坑的凹陷处设置有红外光源，上衬底凹坑的侧壁具有相对的斜面，在相对的斜面上设置有反射微镜；红外光源电连接上衬底外表的电极；

下衬底凹坑的凹陷处分布有一个或多个光栅结构，以及与光栅结构数量相一致的红外探测器；红外探测器电连接下衬底外表的电极；

上衬底上红外光源的位置、下衬底上光栅结构、红外探测器分布的位置与上衬底凹坑斜面上反射微镜的位置及倾斜角度相配合，使得红外光源发出的红外光经过光栅结构分光后，与被测气体特征红外吸收峰对应波段的窄带红外光射向反射微镜，并经反射微镜反射后准确入射至红外探测器；

在上衬底、下衬底或键合假片上开有与外界交换气体的通气孔。

进一步地，所述红外光源通过TSV通孔与上衬底外表的电极电连接。

进一步地，所述红外探测器通过TSV通孔与下衬底外表的电极电连接。

进一步地，所述红外光源采用真空封装。

进一步地，所述红外探测器采用真空封装。

进一步地，上衬底的凹坑呈四棱台形状。

进一步地，键合假片为单层或多层材料组成，键合假片的材料包括硅、氧化硅、氮化硅。

进一步地，所述红外光源和反射微镜均采用MEMS工艺加工制作而成。

进一步地，所述红外探测器和光栅结构均采用MEMS工艺加工制作而成。

进一步地，上衬底、下衬底以及键合假片通过键合技术键合在一起。