专利名称：微型红外线气体分析装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种气体分析装置，特别涉及一种基于硅微加工技术所制造的微型红外线气体分析装置。
但不论是传统式或微加工式，都有其最大的缺点，即无法有效做气体鉴别(区分气体种类)，以一氧化碳与酒精为例，两者都会与氧化锡反应，一旦感测到气体，将无法鉴别是一氧化碳或是酒精所引起的。此外固态式气体感测器灵敏度较低，较易受环境的干扰(如湿度与温度等)，且材料在高温的环境下长期操作也会有老化的问题。
运用红外线吸收光谱技术所发展的红外线气体侦测装置，可解决上述固态式气体感测装置所遇到的困难。请参见
图1，其是为不同气体红外线吸收光谱的特性。由图1中可以清楚发现不同气体所对应的吸收波长有相当大的差距(例如CO2为4.3μm，CO为4.7μm)，以目前光学镀膜所制作的各种窄频带通滤波器(Narrow Bandpass Filter)是可以满足相当精细的光谱鉴别的。
然而，已知的红外线气体侦测装置功率消耗大，是因为传统的电阻丝红外线光源焦耳功率大。再有，以光学镀膜所制作的各种窄频带通滤波器效率低，而且环境效应所导致的波长漂移亦是一大问题，如果同时要对多种气体作侦测，则必须建构多组带通滤波器，这一些问题使得其价格昂贵而不利于推广。请参见美国专利编号5,852,308，5,468,962，5,861,545。
有鉴于此，本发明将提出一崭新的微型红外线气体分析装置。
解决上述技术问题所采用的技术方案是这样的一种微型红外线气体分析装置，主要包括有一红外线发射单元，其特征是该红外线发射单元为利用热阻丝黑体辐射原理发射出一宽广的红外线光谱的微型红外线发射单元，同时还包括以下微型元件一将红外线发射单元出射的红外线变成平行红外线光束的红外线准直镜；一筛选包含至少一待测气体吸收光谱在内的一红外线波段，并且只允许特定几何区域的红外线光束通过的带通与空间滤波器；一同一时间仅允许单一待测气体吸收光谱的窄频波长通过的调频滤波单元，基于Fabry-Perot干涉仪原理，利用电场控制光学共振腔的长度；一判别待测气体的浓度与种类的感测单元；一作为输出/入界面控制的微电脑控制单元；该红外线发射单元包括一硅微加工技术制作的微型热阻红外线发射器，根据黑体辐射的原理，向四面八方发射包含各种波段的辐射光线；一稳定微型热阻红外线发射器温度的等温度驱动电路，不受室温漂移的影响，而影响特定波长的光出射度，降低量测的灵敏度；该微型热阻红外线发射器包括一晶向为100的硅基板，具有第一及第二表面；一硅异方性蚀刻制作的V-型槽形成于该硅基板的第一或第二表面；一悬浮薄板，形成于该V-型槽上；
一热阻材料，制作于该悬浮薄板中；一黑体材料，制作于悬浮薄板最表面，以增加光辐射的出射度；该热阻材料为高温度系数的硅、白金；该黑体材料为金黑及白金黑；该带通与空间滤波器包括一晶向为100的硅基板，具有第一及第二表面；一带通光学薄膜制作于硅基板的第一表面，滤除至少一待测气体以外的红外线光谱波段；一具有特定几何形状开口的金属薄膜作为空间滤波器，制作于带通光学薄膜上；一硅异方性蚀刻制作的V-型槽，该V-型槽开口形成于硅基板的第二表面，该V-型槽蚀穿硅基板以致V-型槽方形底部暴露出带通光学薄膜与金属薄膜空间滤波器的特定几何形状开口；该带通光学薄膜是多层介电质材料所组成；该多层介电层基本组成单位为一对折射系数高与折射系数低的介电材料；该金属薄膜空间滤波器材料为Ti/Au或Cr/Au，其中Ti或Cr作为附着层；该调频滤波单元包括一硅微加工技术制作的微型调频滤波器，以电场控制改变光学共振腔的长度以筛选欲侦测气体的红外线吸收波长；一提供一直流电压及一微小的交流电压的驱动振荡电路，使该微型调频滤波器兼具波长筛选与光学调制器的功能；该微型调频滤波器包括一硅绝缘层硅基板，一氧化硅绝缘层将该硅绝缘层硅基板分为正面与反面两硅晶片；一悬浮机械结构，该悬浮机械结构包含一薄板结构及至少一细长支脚，该至少一细长支脚的第一端点是与薄板结构连接，该至少一细长支脚的第二端点则连接于至少一固定区域；
至少一分隔块，连接该至少一固定区域与其正面硅晶片；一空气间隙，形成于该悬浮机械结构与正面硅晶片表面间，该空气间隙的起始距离是由至少一分隔块的高度决定；一第一反射镜制作于薄板结构中央；一浮动电极制作于薄板结构上，该浮动电极是通过至少一细长支脚及至少一固定区域与外界作电性连接；一固定电极，制作于正面硅晶片表面，位于浮动电极正下方，与该浮动电极距离该空气间隙；一共振腔V-型凹槽制作于正面硅晶片中，位于第一反射镜正下方，该共振腔V-型凹槽方形平坦底部暴露出位于硅绝缘层硅基板中间的氧化硅绝缘层；至少一防沾黏V-型凹槽，制作于正面硅晶片中，位于该至少一细长支脚正下方；一背面凹槽，制作于反面硅晶片中，正对准于第一反射镜，该背面凹槽平坦底部暴露出位于硅绝缘层硅基板中间的氧化硅绝缘层；一第二反射镜，制作于背面凹槽平坦底部上；该悬浮机械结构材料依序为富硅氮化硅、多晶硅及富硅氮化硅所组成的三明治结构；该浮动电极材料为多晶硅；该分隔块材料为多晶硅或非晶硅；该第一及第二反射镜，是由多对高折射系数/低折射系数介电材料所制作的高反射率反射镜；该感测单元包括一硅微加工技术制作的微型热侦测器；一锁相读取电路，将微型热侦测器输出的电交流讯号与该驱动振荡电路的调制频率作比对，以提高感测讯号的讯杂比，并且可以免除环境效应(温度变化)造成的杂讯问题；该微型热侦测器包括
一晶向为100的硅基板，具有第一及第二表面；一硅异方性蚀刻制作的V-型槽形成于硅基板的第一或第二表面；一悬浮薄板，形成于V-型槽上；至少一热电偶，制作于悬浮薄板中，该至少一热电偶的热接触区位于悬浮薄板的中央部分，该至少一热电偶的冷接触区位于V-型槽边缘的硅基板上；一黑体材料，制作于悬浮薄板表面，增加光辐射的吸收；该热电偶，包含第一及第二热电偶材料，该第一及第二热电偶材料为N型及P型硅半导体构成，抑或一硅半导体与一金属导体构成；该黑体材料为金黑或白金黑。
本发明是关于一种微型红外线气体分析装置的设计，包括一红外线发射单元，利用热阻丝黑体辐射原理，发射出一宽广的红外线光谱；一红外线准直镜，将该红外线发射单元出射的红外线变成平行红外线光束；一带通与空间滤波器，筛选包含至少一待测气体吸收光谱在内的一红外线波段，并且只允许特定几何区域的红外线光束通过；一调频滤波单元，其原理为Fabry-Perot干涉仪，利用电场控制光学共振腔的长度，同一时间仅允许单一待测气体吸收光谱的窄频波长通过；及一感测单元，根据该入射窄频波长强度判别待测气体的浓度与种类；以及一微电脑控制单元，作为输出/入界面控制。
关于该红外线发射单元，包括一硅微加工技术制作的微型热阻红外线发射器，根据黑体辐射的原理，向四面八方发射包含各种波段的辐射光线，以及一等温度(电阻)驱动电路，稳定该微型热阻红外线发射器的温度，不受室温漂移而影响特定波长的光出射度，降低量测的灵敏度。
关于该带通与空间滤波器，包括一晶向为(100)的硅基板，具有第一及第二表面；一带通光学薄膜制作于该硅基板的第一表面，滤除至少一待测气体以外的红外线光谱波段；一具有特定几何形状开口的金属薄膜作为空间滤波器，制作于带通光学薄膜上；以及一硅异方性蚀刻制作的V-型槽，该V-型槽开口形成于硅基板的第二表面，该V-型槽蚀穿硅基板以致该V-型槽方形底部暴露出带通光学薄膜与金属薄膜空间滤波器的特定几何形状开口。
关于调频光学滤波单元，包括一硅微加工技术制作的微型调频滤波器，利用电场控制以改变光学共振腔的长度以筛选欲侦测气体的红外线吸收波长；以及一驱动振荡电路，提供一直流电压及一微小的交流电压，使该微型调频滤波器兼具波长筛选与光学调制器的功能。
关于感测单元，包括一硅微加工技术制作的微型热侦测器；以及一锁相读取电路，将该微型热侦测器输出的电交流讯号与该驱动振荡电路的调制频率作比对，以提高感测讯号的讯杂比，并且可以免除环境效应(温度变化)造成的杂讯问题从而解决了使其具低功率、低成本的应用于各种气体的定性及定量分析的技术问题。
本发明结构简单，该微型化红外线气体分析装置包括一红外线发射单元，利用热阻丝黑体辐射原理，发射出一宽广的红外线光谱；一红外线准直镜，将该红外线发射单元出射的红外线变成平行红外线光束；一带通与空间滤波器，筛选包含至少一待测气体吸收光谱在内的一红外线波段，并且只允许特定几何区域的红外线光束通过；一调频滤波单元，其原理为Fabry-Perot干涉仪，利用电场控制光学共振腔的长度，同一时间仅允许单一待测气体吸收光谱的窄频波长通过；及一感测单元，根据该入射窄频波长强度判别待测气体的浓度与种类；以及一微电脑控制单元，作为输出/入界面控制；基于硅微加工技术所制造的各种微型元件以符合低功率消耗与低成本的要求，以应用于各种气体红外线吸收光谱的定性及定量分析，而具实用性。
图2是本发明微型红外线气体分析装置的功能性方块图。
图3是本发明微型红外线气体分析装置各组件安排示意图。
图4a是本发明实施例微型热阻红外线发射器的俯视结构示意图。
图4b是图4a沿着A-A线所示的剖面结构示意图。
图5a是本发明的微型热阻红外线发射器另一实施例俯视结构示意图。
图5b是图5a沿着A-A线所示的剖面结构示意图。
图6是本发明的微型带通与空间滤波器的剖视结构示意图。
图7是本发明实施例微型调频滤波器的结构剖视图。
图8a是本发明实施例微型热电堆侦测器的俯视结构示意图。
图8b是图8a沿着A-A线所示的剖面结构示意图。
图9a是本发明微型热电堆侦测器另一实施例的俯视结构示意图。
图9b是图9a沿着A-A线所示的剖面结构示意图。
为了清楚说明图2所示功能性方块图的实体示意结构，请参见图3，其是本发明微型红外线气体分析装置各组件安排示意图。红外线发射单元10包含一硅微加工技术制作的热阻(Thermo-Resistive)红外线发射器(IREmitter)10a及一等温度(电阻)驱动电路10b，该微型热阻红外线发射器10a可以视为一点光源，根据黑体辐射(Black-Body Radiation)的原理，向四面八方发射红外线光谱，通过一红外线准直镜20，将所搜集的最大锥形光束(光线11所涵盖角锥区域)变成平行光束21。该红外线准直镜20所适用的材料为对于3-5μm抑或2-8μm有良好穿透率如硅、单晶氧化铝(Saphire)及氟化镁等。
一微型带通与空间滤波器30，包含一带通光学膜33，一圆形或方形开口的金属层34作为空间滤波器。该带通光学膜33的主要功能为滤除至少一待测气体以外的光谱波段。该空间滤波器34，仅允许部分的光束21通过该金属层34的该圆形或方形开口，即光线12所涵盖的区域，其目的是配合以下的微型调频滤波器50a的共振腔面积。
一微型调频滤波器50a，利用电场控制以改变Fabry-Perot共振腔的长度以筛选特定的窄频光波长(欲侦测气体的红外线吸收波长)，该驱动振荡电路50b提供一直流电压V0及一微小的交流电压ΔVsinωt，使该调频滤波器50a兼具波长筛选与光学调制器(Modulator)的功能。
一微型热侦测器60a，侦测调频滤波器50a所筛选的该窄频光波长的强度，一锁相读取电路60b比对该红外线侦测器60a输出的交流讯号I(ω)与该驱动振荡电路50b的调制频率ω，以提高感测讯号的讯杂比(S/N Ratio)，并且可以免除环境效应(温度变化)造成的杂讯问题。
为了更清楚说明图3中所示利用硅微加工技术制作的微型元件的制造方式及有别于传统元件的优越性，以下将以几个单元详细说明。
微型热阻红外线发射器(Micro Thermo-Resistive IR Emitter)利用发热电阻产生红外线的方式是根据黑体辐射原理，由韦氏位移定理(Wien′s Displacement Law)可以确认光辐射出射度(Exitance)最大值与温度T及波长λ的关系，描述如下公式(1)λT＝2897.8(μm K) (1)正常人在37℃，最大出射度的波长为9.35μm，当应用于气体的红外线吸收光谱(3～5μm或2-8μm)，可以想见热阻丝的温度必须高达几百℃以上方能得到足够的光辐射出射度，这使得传统的热阻丝红外线发射器功率消耗相当大，且是利用人力逐一制造，品质控管不易，增加后段校正的难度，这都是使其价格昂贵的原因。而利用硅微加工技术正可以解决功率消耗的问题，并通过硅半导体制程批量生产解决品质控管的问题(请参见J.S.Shie，Bruce C.S.Chou，and Y.M.CHen，High performance Pirani Vacuumgauge，J.Vac.Sci.Tech，A，13(6)1995 pp.2972-2979.)。
请参见图4a，其是为本发明微型热阻红外线发射器10a的俯视结构示意图。而图4b是为图4a沿着A-A线所示的剖面结构示意图。其中，一晶向为(100)的硅基板100，一悬浮薄板(Membrane)101，由四细长支脚102支撑并固定于一V-型槽106的边缘，该V-型槽106的形成是通过蚀刻窗口105的定义及硅异方性蚀刻(Anisotropic Etching)技术完成。该薄板结构101及该细长支脚102是由介电材料101a及101b所组成，该介电材料101a及101b通常为半导体制程中常见的氧化硅及氮化硅抑或上述两者的排列组合而成。在该薄板结构101内部制作有一热阻材料103，其通常为高温度系数(Temperature Coefficient of Resistance)的热敏电阻材料如硅、白金等。而悬浮薄板的最表面则制作一黑体材料104，其通常为非常薄的金属薄膜，例如金黑(Gold-Black)及白金黑(Platinum-Black)借以增加光辐射的出射度。
图4a及图4b所示的微型热阻红外线发射器由悬浮结构的形成，可以有效的降低热传导值，其值通常介于1μW/℃～10μW/℃，因此仅需要相当小的焦耳功率便足以产生相当好的加热效果。举例说明，多晶硅热阻丝为1KΩ，通过电流为1mA，可以产生1mW的功率，如果微型热阻红外线发射器的热传导值为3μW/℃，则悬浮薄板结构101的温度将达300℃以上，这一良好的热效率是传统元件无法达到的。同时，该细长支脚102对于该悬浮薄板结构101与基板100间的热绝缘性相当好，以及该悬浮薄板结构101可以视为等温区，而该基板100则处于室温。同时，薄板结构101的面积相当小(～mm×mm)，故可以视为点光源，这对于后续光路的设计可相当简化。再有通过一等温度(电阻)驱动电路10b的控制，可以稳定该悬浮薄板结构101的温度，不受室温漂移而影响特定波长的光出射度，降低量测的灵敏度。
请参见图5a，其是本发明微型热阻红外线发射器另一实施例的俯视结构示意图。而图5b是为图5a沿着A-A线所示的剖面结构示意图。图5a及图5b所示结构与图4a及图4b差别仅在于利用背面异方性蚀刻形成该V-型槽106，其余制程及设计皆相通，在此不赘述。
微型带通与空间滤波器(Micro Bandpass and Spatial Filter)已知的光学带通滤波器是在一光学基板(例如石英玻璃)制作光学薄膜，其品质要求为光学基板及光学镀膜的材料对于所要求的光学频道穿透率好(低吸收系数)，特别是光学基板的厚度远大于光学薄膜，因此决定了更多的光强度吸收，因此，高品质的光学基板扮演重要的因素。同时，对于气体红外线吸收光谱(3～5μm或2～8μm)频宽而言，高穿透率的红外线光学基板更是稀少而昂贵。为此，本发明提出一微型带通滤波器以解决上述的问题。
请参见图6，其是本发明微型带通与空间滤波器30的剖视结构示意图。其中，31为一晶向为(100)的硅基板，该硅基板31的一面制作有一带通光学膜33，该带通光学膜33是多层介电质材料所组成。多层介电层基本组成单位为一对折射系数高与折射系数低的介电材料，其通常为TiO2/MgF2。而其厚度t分别满足nt＝λ/4，其中n为折射系数，λ为通过频段的中心波长。一硅异方性蚀刻形成的V-型槽32去除了部分的硅基板31，而暴露出部分的带通光学膜33而形成一薄膜(Diaphragm)结构35，此举可以去除掉硅基板31对于特定光谱的吸收(例如可见光等)。搭配上一空间滤波器34的筛选，即为红外线通过的几何区域，而该空间滤波器34的制作则是一标准的半导体制程程序以镀膜及蚀刻方式所制作的金属图形，该金属材料通常为Ti/Au或Cr/Au，其中Ti或Cr是作为附着层用。
微型调频滤波器(Micro Tunable Filter)常见的调频滤波器是基于Fabry-Perot干涉仪(简称FP干涉仪)原理，主要是利用两高反射率反射镜所组成的可调变(传统调变方式为利用压电材料调制)光学共振腔(Resonant Cavity)，当共振腔长度满足特定光波长的半整数倍m/2(m代表阶数)时，输出的光脉冲具有非常窄的半高宽(FWHM FullWidth of Half Maxilmum)特性，广泛的应用于光通讯及各种光谱检测设备。然而利用传统的加工技术及组装是无法制造出具备宽广调变(Free SpectralRange，FSR)光谱特性的FP干涉仪，主要原因为共振腔的长度太大(FSR反比于共振腔长度)所造成。利用微加工技术所制作的微型调频滤波器可以解决此一问题，其光谱调变范围可以高达1～2μm，这样的结果使其具有等效于如光栅(Grating)分光的光谱仪功能(请参见美国专利编号5,550,375)，这是传统FP干涉仪所无法达到的，也是微型调频光学滤波器的最大的特色。更是本发明将之利用于红外线光谱检测的最主要原因。再者低功率消耗及硅半导体似的批量生产低成本也是一重大原因。
请参见图7，其是本发明实施例微型调频滤波器50a的结构剖视图。包含一硅基板500，该硅基板500是为一硅绝缘层硅晶片(Silicon OnInsulator，SOI)，该硅基板500中间有一氧化硅绝缘层500b将该硅基板500分为正面硅晶片500c(又称元件硅晶片Device Wafer)及反面硅晶片500a(又称挟置硅晶片Handle Wafer)。
一悬浮机械结构501，与正面硅晶片500c表面距离一空气间隙506。该悬浮机械结构501包含一薄板结构502、四细长支脚504以及四支撑固定区域505。细长支脚504的一端点与薄板502连接，而细长支脚504的另一端点则连接于该固定区域505，该固定区域505是通过一分隔块514(Spacer)连接且固定于该正面硅晶片500c表面，分隔块514的厚度即为该空气间隙506的起始高度。
一第一反射镜510制作于该薄板结构502中央；一浮动电极503制作于该薄板结构502上，通过细长支脚504连接至固定区域505而与外界作电性连接。
一固定电极512，制作于正面硅晶片500c表面，其位置位于该浮动电极503正下方。
多个V-型凹槽507、508制作于正面500c硅晶片中，包括位于该第一反射镜510下方的共振腔V-型凹槽508，以及位于细长支脚504下方的防沾黏(Anti-Sticking)V-型凹槽507，共振腔V-型凹槽508方形平坦底部暴露出位于硅基板500中间的氧化硅绝缘层500b；及一背面V-型凹槽509制作于反面硅晶片500a中，正对准于该第一反射镜510，背面V-型凹槽509方形平坦底部暴露出位于硅基板500中间的氧化硅绝缘层500b；以及一第二反射镜511，制作于该背面V-型凹槽509方形平坦底部。
其中，本发明调频光学滤波器的光学共振腔，即是由制作于薄板结构502上的第一反射镜510，以及共振腔V-型凹槽508的方形平坦底部(相连于背面V-型凹槽509的方形平坦底部的第二反射镜511)，所构成的两平面镜式的光学共振腔。
本发明光学共振腔的长度是结合了面型微细加工技术(多晶硅牺牲层技术)及体型微加工技术(单晶硅异方性蚀刻)所制作，光学共振腔的长度为正面硅晶片500c及空气间隙506两者厚度和，其通常决定为正面硅晶片500c的厚度，此一厚度可以由商用硅绝缘层硅晶片(SOI)供应商得到不同的规格(0.3～100μm)，因此相当具有弹性，通过适当500c厚度的选择，可以得到宽广的光谱调变范围，又可以满足光解析度的光谱特性。
由浮动电极503及固定电极512的设计与制作，可以利用电场吸引的方式调变第一反射镜510与第二反射镜511间光学共振腔长度，浮动电极503及固定电极512之间的空气间隙506制作是通过牺牲层的制作及后续的蚀刻动作定义的，因此可以依不同的需求定义不同的空气间隙506。也由于该间距是由牺牲层厚度所定义，其通常厚度＜3μm，因此仅需要较低的电压便可以调变光学共振腔长度。
防沾黏V-型凹槽507制作于细长支脚504的下方，用以避免细长支脚与底部正面硅晶片500c表面因蚀刻液体所产生表面张力导致的相互沾黏(Sticking)。
除了上述的优点外，第一反射镜510与第二反射镜511具有绝佳的平行度。而且该调频滤波器的特殊微结构设计，使其并不受限于基板500效应的影响，仅需通过第一反射镜510与第二反射镜511材料的选择，便可以制作适用于本发明气体红外线吸收光谱波段的调频滤波器(相同于前述的微型带通滤波器的设计理念)。
其中，该固定电极512的制作方式是利用高温扩散或离子布植的方式在正面硅晶片500c表面完成的杂质渗杂。间隔层514材料为多晶硅，该机械结构501是由三层材料所组成的三明治结构，分别为富硅氮化硅(SiliconRich Nitride)、多晶硅及富硅氮化硅。其中富硅氮化硅具有相当好的机械刚性及相当低的热残余应力(请参见Bruce C.S.Chou et al.，Fabrication ofLow-Stress Dielectric Thin-Film for Microsensor AppliCations，IEEE ElectronDevice Letters，Vol.18，1997，p.599-601.)，因此最适合作为高品质、高稳定性的微型机械结构。而位于中间的多晶硅则同时作为机械结构与浮动电极503的导体材料。第一及第二反射镜510、511为多层介电质材料所制作而成的高反射、低损耗反射镜。多层介电层基本组成单位为一对折射系数高与折射系数低的介电材料，其通常为MgF2/TiO2。而其厚度t分别满足nt＝λ/4，其中n为折射系数，λ为所调变光谱的中心波长。
微型热侦测器热侦测器(热阻Bolometer、焦电Pyrometer及热电Thermopile)的优点在于有相当宽广且平坦的光谱反应特性(Broad and Flat Spectral Response)，相当适合作为光谱的校正，但是缺点为元件的响应度(Responsivity，V/W)较差。
随着1980年代硅微加工技术的发展，具有高度绝热效果(低热导)的悬浮薄板结构(薄板结构可以降低热容)，使热电堆元件的响应度(responsivity，V/W)和响应速率大幅提升。因此，微型热侦测器的发展有了更长足的进步。特别是微型热电堆侦测器，热电堆元件的优点在于其本身不消耗任何功率，因此，可免除任何从电源供应所耦合进来的电压杂讯，此优点乃其它电阻型(bolometric)红外线元件所不及。再者，由于流经热电堆元件本身的电流很小(甚至为0)，因此，由驱动电流所引发的材料的低频杂讯(l/f noise)亦可忽略。在没有辐射入射时，可将热电偶的热接触区及冷接触区视为等温，因此，环境温度漂移对此种元件的影响，也远比对电阻型红外线元件小。所以此种元件适合于携带型及室温操作，并且不需额外的控温装置。
请参见图8a，其是本发明实施例微型热电堆侦测器60a的俯视结构示意图。而图8b是为图8a沿着A-A线所示的剖面结构示意图。热电堆元件60a包含一晶向(100)的硅基板600；及一悬浮薄板601，形成于基板600之上，具有多个的热电偶603。热接触区604是位于悬浮薄板601的中央部分，而冷接触区605是为于悬浮薄板601的周围部分。
由多个蚀刻窗口606定义，可蚀刻形成悬浮薄板601下方的V-型槽607，以构成悬浮薄板601的结构。而悬浮薄板601的最表面则制作一黑体材料602，其通常为非常薄的金属薄膜，例如金黑(Gold-Black)及白金黑(Platinum-Black)，以增加光辐射的吸收率。
悬浮薄板601包含一第一介电层600a、一第一热电偶603a、一第二介电层600b、一第二热电偶603b、一第三介电层600c，其中该第一、二、三介电层600a、600b、600c通常为半导体制程中常见的氧化硅及氮化硅抑或上述两者的排列组合而成；第一及第二热电偶603a、603b材料为N型及P型硅半导体所构成，抑或一硅半导体与一金属导体所构成。
请参见图9a，其是本发明微型热电堆侦测器另一实施例的俯视结构示意图。而图9b是为图9a沿着A-A线所示的剖面结构示意图。图9a及图9b所示结构与图8a及图8b差别仅在于利用背面异方性蚀刻形成该V-型槽607，其余制程及设计皆相通，在此不赘述。
在实施例的详细说明中所提出的具体实施例仅用以方便说明本发明的技术内容，而非将本发明狭义地限制于上述实施例，在不超出本发明的精神与申请专利范围的情况下，所作的种种变化实施，仍属于本发明的范围。
综上所述，本发明确实具先进性、实用性，已符合发明专利申请要件，故依法提出发明专利申请。
权利要求
1.一种微型红外线气体分析装置，主要包括有一红外线发射单元，其特征是该红外线发射单元为利用热阻丝黑体辐射原理发射出一宽广的红外线光谱的微型红外线发射单元，同时还包括以下微型元件一将红外线发射单元出射的红外线变成平行红外线光束的红外线准直镜；一筛选包含至少一待测气体吸收光谱在内的一红外线波段，并且只允许特定几何区域的红外线光束通过的带通与空间滤波器；一同一时间仅允许单一待测气体吸收光谱的窄频波长通过的调频滤波单元；一判别待测气体的浓度与种类的感测单元；一作为输出/入界面控制的微电脑控制单元。
2.根据权利要求1所述的微型红外线气体分析装置，其特征是该红外线发射单元包括一硅微加工技术制作的微型热阻红外线发射器；一稳定微型热阻红外线发射器温度的等温度驱动电路。
3.根据权利要求2所述的微型红外线气体分析装置，其特征是该微型热阻红外线发射器包括一晶向为100的硅基板，具有第一及第二表面；一硅异方性蚀刻制作的V-型槽形成于该硅基板的第一或第二表面；一悬浮薄板，形成于该V-型槽上；一热阻材料，制作于该悬浮薄板中；一黑体材料，制作于悬浮薄板最表面。
4.根据权利要求3所述的微型红外线气体分析装置，其特征是该热阻材料为高温度系数的硅、白金。
5.根据权利要求3所述的微型红外线气体分析装置，其特征是该黑体材料为金黑及白金黑。
6.根据权利要求1所述的微型红外线气体分析装置，其特征是该带通与空间滤波器包括一晶向为100的硅基板，具有第一及第；表面；一带通光学薄膜制作于硅基板的第一表面，滤除至少一待测气体以外的红外线光谱波段；一具有特定几何形状开口的金属薄膜作为空间滤波器，制作于带通光学薄膜上；一硅异方性蚀刻制作的V-型槽，该V-型槽开口形成于硅基板的第二表面，该V-型槽蚀穿硅基板以致V-型槽方形底部暴露出带通光学薄膜与金属薄膜空间滤波器的特定几何形状开口。
7.根据权利要求6所述的微型红外线气体分析装置，其特征是该带通光学薄膜是多层介电质材料所组成；该多层介电层基本组成单位为一对折射系数高与折射系数低的介电材料。
8.根据权利要求6所述的微型红外线气体分析装置，其特征是该金属薄膜空间滤波器材料为Ti/Au或Cr/Au，其中Ti或Cr作为附着层。
9.根据权利要求1所述的微型红外线气体分析装置，其特征是该调频滤波单元包括一硅微加工技术制作的微型调频滤波器，以电场控制改变光学共振腔的长度以筛选欲侦测气体的红外线吸收波长；一提供一直流电压及一微小的交流电压的驱动振荡电路。
10.根据权利要求9所述的微型红外线气体分析装置，其特征是该微型调频滤波器包括一硅绝缘层硅基板，一氧化硅绝缘层将该硅绝缘层硅基板分为正面与反面两硅晶片；一悬浮机械结构，该悬浮机械结构包含一薄板结构及至少一细长支脚，该至少一细长支脚的第一端点是与薄板结构连接，该至少一细长支脚的第二端点则连接于至少一固定区域；至少一分隔块，连接该至少一固定区域与其正面硅晶片；一空气间隙，形成于该悬浮机械结构与正面硅晶片表面间，该空气间隙的起始距离是由至少一分隔块的高度决定；一第一反射镜制作于薄板结构中央；一浮动电极制作于薄板结构上，该浮动电极是通过至少一细长支脚及至少一固定区域与外界作电性连接；一固定电极，制作于正面硅晶片表面，位于浮动电极正下方，与该浮动电极距离该空气间隙；一共振腔V-型凹槽制作于正面硅晶片中，位于第一反射镜正下方，该共振腔V-型凹槽方形平坦底部暴露出位于硅绝缘层硅基板中间的氧化硅绝缘层；至少一防沾黏V-型凹槽，制作于正面硅晶片中，位于该至少一细长支脚正下方；一背面凹槽，制作于反面硅晶片中，正对准于第一反射镜，该背面凹槽平坦底部暴露出位于硅绝缘层硅基板中间的氧化硅绝缘层；一第二反射镜，制作于背面凹槽平坦底部上。
11.根据权利要求10所述的微型红外线气体分析装置，其特征是该悬浮机械结构材料依序为富硅氮化硅、多晶硅及富硅氮化硅所组成的三明治结构。
12.根据权利要求10所述的微型红外线气体分析装置，其特征是该浮动电极材料为多晶硅。
13.根据权利要求10所述的微型红外线气体分析装置，其特征是该分隔块材料为多晶硅或非晶硅。
14.根据权利要求10所述的微型红外线气体分析装置，其特征是该第一及第二反射镜，是由多对高折射系数/低折射系数介电材料所制作的高反射率反射镜。
15.根据权利要求9所述的微型红外线气体分析装置，其特征是该感测单元包括一硅微加工技术制作的微型热侦测器；一锁相读取电路，将微型热侦测器输出的电交流讯号与该驱动振荡电路的调制频率作比对。
16.根据权利要求15所述的微型红外线气体分析装置，其特征是该微型热侦测器包括一晶向为100的硅基板，具有第一及第二表面；一硅异方性蚀刻制作的V-型槽形成于硅基板的第一或第二表面；一悬浮薄板，形成于V-型槽上；至少一热电偶，制作于悬浮薄板中，该至少一热电偶的热接触区位于悬浮薄板的中央部分，该至少一热电偶的冷接触区位于V-型槽边缘的硅基板上；一黑体材料，制作于悬浮薄板表面。
17.根据权利要求16所述的微型红外线气体分析装置，其特征是该热电偶，包含第一及第二热电偶材料，该第一及第二热电偶材料为N型及P型硅半导体构成，抑或一硅半导体与一金属导体构成。
18.根据权利要求16所述的微型红外线气体分析装置，其特征是该黑体材料为金黑或白金黑。
全文摘要
一种微型红外线气体分析装置，主要包括有一红外线发射单元，其特征是该红外线发射单元为微型红外线发射单元；还包括以下微型元件一红外线准直镜，将该红外线发射单元出射的红外线变成平行红外线光束；一带通与空间滤波器，筛选包含至少一待测气体吸收光谱在内的一红外线波段，并且只允许特定几何区域的红外线光束通过；一调频滤波单元，同一时间仅允许单一待测气体吸收光谱的窄频波长通过；一感测单元，根据该入射窄频波长强度判别待测气体的浓度与种类；一微电脑控制单元为输出/入界面；以上基于硅微加工技术制造的各种微型元件，以符合低功率消耗与低成本的要求，应用于各种气体红外线吸收光谱的定性及定量分析，而具实用性。
文档编号G01N21/35GK1464298SQ0212235
公开日2003年12月31日 申请日期2002年6月14日 优先权日2002年6月14日
发明者周正三 申请人:祥群科技股份有限公司