专利名称：微型红外气体传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种传感器，具体地说是一种微型红外气体传感器。
背景技术：
目前，在红外光学气体检测方面，大多是采用激光或是宽光谱光源，激光需要大的功耗，宽光谱光源大多是从红外到可见光区域，而对于检测某一特定气体，大多数的波谱吸收峰都集中在2 5um红外光区域内，所以在工作时，有一大部分的能量是不需要的。减小其光谱带的发光区域，有利于减小其功耗，消除其它杂光的干扰。且在目前的技术水平上， 红外光源与红外气体探测器基本都为分离式装置，且外加复杂的光路结构，这样会给组装带来麻烦，同时也带来了许多外界环境因素的影响。目前，还存在独立光源与探测器分离使用在检测中，所造成的相互之间存在的大的干扰、大体积、复杂安装等问题，以及在之前的检测中大多使用宽光谱光源，从红外区域到可见区域，需要大的功耗，不便于在一些低功耗和便携式使用场合使用等问题。
发明内容
本发明的目的提供一种微型红外气体传感器。该传感器具有低功耗、微体积、易安装及抗干扰能力强等性能，能够满足一些便携式及低功耗检测场合。本发明由气室以及气室内的窄带光源及红外敏感部分组成，其特征是气室内顶部为中间带孔的镀金反射内壁，气室下部左边为光源区域，窄带光源安装在光源区域；气室下部右边前面为参考测量敏感元件区域，气室下部右边后面为气体测量敏感元件区域，各区域之间有绝热隔板，光源区域上部有光源部分滤光片，参考测量敏感元件区域上部有参考通道滤光片，气体敏感元件区域上部有响应通道滤光片；红外敏感部分采用双元敏感件串接而成，其中一元件用作相应气体检测，安装在气体敏感元件区域；另一元件用作参考检测，安装在参考测量敏感元件区域。上述的气室上端安装有进气孔隔板和过滤与干燥装置。上述的窄带光源采用MEMS工艺加工方法制作，发光谱带控制在2 5um。光源区域的窄带光源安装在光源基底座，由支撑柱支承。敏感元件下部是敏感元件下电极，敏感元件下电极下部是敏感元件微弱信号前置放大电路板，敏感元件微弱信号前置放大电路板下部是敏感元件支撑柱。气室最底部为整体连接光源、探测部件及外部输出信号的电路板，输入、输出连接管脚从气室底部传感器管壳底座伸出传感器的外部。其特点是光源发出的光包含大多被测试气体吸收光谱，并且谱带较窄，消耗功耗小，光源与探测元件及光学气室被集成在同一装置中。红外光源发出的光经镀金内壁反射， 透射过光学滤光片，直射到红外敏感元件上，敏感元件检测到光强信号，产生一个微弱的输出信号，输出信号通过安装在底板上的前置放大电路放大预处理，最终输出信号。在这个过程中，其检测原理符合郎伯-比尔定律，对于气体浓度的算法与以往相似。
本发明与现有的技术相比有如下优点1、功耗低、体积极小、重量轻，解决了以往光源高功耗、分离装置问题，能满足低功耗、便携式场合；2、结构紧凑，集成度高，抗干扰能力强，灵敏度高。本发明可广泛应用在气体检测等领域中，尤其是对一些便携式、低功耗等场合具有重大意义。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1为集成式微红外光学气体传感器结构剖视图，图2为进气板结构的俯视图，图3为传感器内部区域分布示意图，图4为集成式微红外光学气体传感器内部结构俯视图。图中，1.进气孔隔板，2.过滤与干燥装置，3.窄带光源，4.光源基底座，5.光源部分支撑柱，6.整体连接光源、探测部件及外部输出信号的电路板，7.输入、输出连接管脚， 8.传感器管壳底座，9.传感器内部各部分隔离用的绝热隔板，10.敏感元件支撑柱，11.敏感元件微弱信号前置放大电路板，12.敏感元件下电极，13.传感器敏感元件(两个，参考件和敏感响应件)，14.传感器外壳体，15.参考通道滤光片，16.带孔的镀金反射内壁，17.光源部分滤光片(光不被吸收和衰减，全通过)，18.微光学气室(气体在此与红外光发生作用)，19.光束入射光程示意，20.响应通道滤光片，21.敏感元件上电极键合引出线，22.孔， 23.光源件，24.气体敏感元件，25.参考测量敏感元件，26.气体敏感元件区域，27.参考测量敏感元件区域，28.光源区域。
具体实施例方式
本发明由气室18以及气室内的窄带光源3及红外敏感部分组成，其特征是气室内顶部为中间带孔的镀金反射内壁16，气室18下部左边为光源区域观，窄带光源3安装在光源区域观；气室18下部右边前面为参考测量敏感元件区域27，气室下部右边后面为气体测量敏感元件区域26，各区域之间有绝热隔板9，光源区域观上部有光源部分滤光片17，参考测量敏感元件区域27上部有参考通道滤光片15，气体敏感元件区域沈上部有响应通道滤光片20 ；红外敏感部分采用双元敏感件串接而成，其中一元件M用作相应气体检测，安装在气体敏感元件区域26 ；另一元件25用作参考检测，安装在参考测量敏感元件区域27，以抵消外界环境因素影响，能提高检测灵敏度和分辨率。上述的气室18上端安装有进气孔隔板1和过滤与干燥装置2。上述的窄带光源3采用MEMS工艺加工方法制作，发光谱带控制在2 5um。光源区域观的窄带光源3安装在光源基底座4，由支撑柱5支承。敏感元件13下部是敏感元件下电极12，敏感元件下电极12下部是敏感元件微弱信号前置放大电路板11，敏感元件微弱信号前置放大电路板11下部是敏感元件支撑柱10。气室最底部为整体连接光源、探测部件及外部输出信号的电路板6，输入、输出连接管脚7从气室18底部传感器管壳底座8伸出传感器的外部。
相关的输出信号及控制信号都通过键合技术连接到电路板6上，电路板6通过连接金属柱7与外部连接产生输出或是输入控制信号。气体从外界扩散进入，气体从板孔1进入，然后在由外壳体14和镀金的气室内壁 16与进气孔隔板1围城的过滤与干燥装置2，被干燥材料干燥，然后通过镀金材料并带有小孔的内壁16后，进入气室18，气体在此被检测。发光光源发出谱带2 5um的红外光，经过无吸收的光学材料17，然后被镀金气室内壁16反射到敏感元件区域，之前先经过被检测气体的窄带滤光片15或20，15为对应的检测气体的红外吸收窄带谱区域滤光片(比如甲烷采用3310nm士SOnm等)，20为参考测量吸收的滤光片(采用3. 93士60nm，大多数气体都不被吸收的红外区域)，入射通过窄带滤光片之后直射至敏感元件上。敏感元件采用超薄钽酸锂晶体薄片，敏感元件薄片上下表面制备了电极及其它增强吸收红外光性能的材料，该元件被一支撑柱12支起，以免与下表面接触带来热敏感的影响，支撑柱同时起到下电极的作用，上电极从上表面通过键合技术引出线21连接到前处理电路板11上，前处理电路板11上带有FET及电阻与电容构成的前放大处理电路结构，执行信号的前级放大预处理。各个分离部件通过真空封装技术，封装在壳体14与基座8构成的微小结构中，最终构成一微小的气体传感器。在这个微小的气体传感器装置中，内部包含三个滤光片，内部被隔离绝热材料9分隔成三个部分如图3所示，光源区域、气体敏感元件区域沈、参考测量敏感元件区域27，彼此隔离分开，目的是为了避免相互之间的干扰和热影响，有利于提高灵敏度。
权利要求
1.一种微型红外气体传感器，由气室以及气室内的窄带光源及红外敏感部分组成，其特征是气室内顶部为中间带孔的镀金反射内壁，气室下部左边为光源区域，窄带光源安装在光源区域；气室下部右边前面为参考测量敏感元件区域，气室下部右边后面为气体测量敏感元件区域，各区域之间有绝热隔板，光源区域上部有光源部分滤光片，参考测量敏感元件区域上部有参考通道滤光片，气体敏感元件区域上部有响应通道滤光片；红外敏感部分采用双元敏感件串接而成，其中一元件用作相应气体检测，安装在气体敏感元件区域；另一元件用作参考检测，安装在参考测量敏感元件区域。
2.如权利要求1所述的微型红外气体传感器，其特征是所述的气室上端安装有进气孔隔板和过滤与干燥装置。
3.如权利要求1所述的微型红外气体传感器，其特征是所述的窄带光源采用MEMS工艺加工方法制作，发光谱带控制在2 5um。
4.如权利要求1所述的微型红外气体传感器，其特征是光源区域的窄带光源安装在光源基底座，由支撑柱支承。
5.如权利要求1所述的微型红外气体传感器，其特征是敏感元件下部是敏感元件下电极，敏感元件下电极下部是敏感元件微弱信号前置放大电路板，敏感元件微弱信号前置放大电路板下部是敏感元件支撑柱。
6.如权利要求1所述的微型红外气体传感器，其特征是气室最底部为整体连接光源、 探测部件及外部输出信号的电路板，输入、输出连接管脚从气室底部传感器管壳底座伸出传感器的外部。
全文摘要
本发明涉及一种传感器，具体地说是一种微型红外气体传感器。它由气室以及由窄带光源、红外敏感部分、窄带光学滤光片、气体干燥装置等部件组成，窄带光源安装在光源区域，光源区域上部有光源部分滤光片，红外敏感部分采用双元敏感件串接而成，其中一元件用作相应气体检测，安装在气体敏感元件区域；另一元件用作参考检测，安装在参考测量敏感元件区域，两元件前端分别加装窄带滤光片，各区域之间有绝热隔板，敏感元件与光源都集成封装在一微小的镀金管壳气室内。本发明结构紧凑，集成度高，抗干扰能力强，灵敏度高，功耗低、体积极小、重量轻，解决了以往光源高功耗、分离装置问题，能满足低功耗、便携式场合。
文档编号G01N21/35GK102279167SQ20111019789
公开日2011年12月14日 申请日期2011年7月15日 优先权日2011年7月15日
发明者刘俊, 张会新, 张文栋, 熊继军, 王福鑫, 薛晨阳, 裴向东, 谭秋林 申请人:中北大学