[发明专利]一种用于硅基红外气体传感器的硅基气室

说明书

本发明公开了一种用于硅基红外气体传感器的硅基气室，属于红外气体传感器领域，具体包括上层硅片和下层硅片；上层硅片和下层硅片通过键合方式连接；上层硅片包括红外光源窗口和红外探测器窗口；下层硅片上设置气室腔体和气体扩散槽；红外光源窗口和红外探测器窗口为贯穿上层硅片的通孔；气室腔体为棱台型结构；气体扩散槽位于下层硅片与上层硅片交界面的四周；棱台型两端的斜面为反射面，气室腔体与上层硅片的下表面反射面构成红外光的反射腔室；气体扩散槽用于使外界气体进入气室腔体的内部。本发明公开的硅基气室便于与红外光源、探测器和其他电路模块在外部集成，提高集成设计自由度。

技术领域

本发明属于红外气体传感器领域，更具体地，涉及一种用于硅基红外气体传感器的硅基气室。

背景技术

气体传感器在大气监测、工业流程、安防报警、智能家居等领域有着广泛的应用需求，随着物联网和人工智能的发展，气体传感器朝着小型化、智能化、集成化的趋势在发展。气体传感器的种类主要包括半导体型、催化燃烧型、电化学型和红外型，其中红外气体传感器基于非色散红外(Non-Dispersive Infra-Red/NDIR)吸收原理，利用气体对特定波段的红外吸收，对气体种类进行区分，测得吸光强度变化并通过朗伯-比尔定律计算被测气体的浓度。NDIR气体传感器具有选择性好、精度高、可靠性好、寿命长、抗干扰能力强的优势，广泛用于CH₄、CO₂等气体的探测。

NDIR气体传感器主要包含红外光源、气室、窄带滤光片和红外探测器以及相应的信号处理电路组成，NDIR气体传感器的灵敏度与气体吸收光程密切相关，气室需具备足够的体积以满足灵敏度要求，导致NDIR气体传感器体积较大，限制了其应用范围。

随着MEMS技术的发展，NDIR气体传感器的各部件都呈现小型化和集成化发展趋势，随着硅基MEMS气室的出现，NDIR气体传感器的尺寸大幅度减小，有望实现片上集成应用。专利公开号CN107328730A公开了基于若干微型槽气室的全集成式红外气体传感器，公开号CN108318439A公开了基于椭圆形气室结构的全集成式红外气体传感器，同时基于S型或蛇形气室结构微型化NDIR气体传感器也被公开。上述气室共同点是包含红外光源的出口通孔、红外探测器的入口通孔、气体扩散通孔以及内部的镀金反射面，采用层层堆叠的方式与红外光源、探测器、信号处理电路层集成在一起，气室光源、探测器通孔均设计在底部，需要二次刻蚀，且工艺繁琐，特别是这种结构在堆叠时对下层的对准精度要求很高，由于光源和探测器位置都设计在气室内部，不利于集成和批量化制造；此外，现有结构通常在气室上部开设气孔，为了避免红外光线泄露影响传感器的灵敏度，需要尽可能减少气孔的数量，影响气体扩散效率，延长了气体传感器的响应时间。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于硅基红外气体传感器的硅基气室，旨在解决现有的气室通常采用层层堆叠的方式与红外光源、探测器、信号处理电路集成，且气室光源和探测器通孔均设计在内部，容易造成因工艺繁琐导致不利于批量化制造的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于红外气体传感器的硅基气室，包括上层硅片和下层硅片；上层硅片和下层硅片通过键合方式连接；

上层硅片包括红外光源窗口和红外探测器窗口；下层硅片上设置气室腔体和气体扩散槽；

红外光源窗口和红外探测器窗口为贯穿上层硅片的通孔；气室腔体为棱台型结构；气体扩散槽位于下层硅片与上层硅片交界面的四周；

红外光源窗口用于接收红外光；红外探测器窗口用于发散通过气室腔体的红外光；棱台型两端的斜面为反射面，气室腔体与上层硅片的下表面反射面构成红外光的反射腔室；气体扩散槽用于使外界气体进入气室腔体的内部；

优选地，上层硅片的下表面以及下层硅片的气室腔体均镀有金属反射面。