本发明属于气体传感器领域，涉及一种基于椭圆形气室结构的全集成式红外气体传感器。
背景技术：
气体传感器在生产现场监测、燃气管网监测、环境监测等领域大量使用，随着物联网等新兴产业的飞速发展、人们对空气环境质量的日益关注，气体传感器的应用需求飞速增长。气体传感器主要包括半导体型、催化燃烧型和电化学型等种类，这些传感器在使用中的最大问题是对气体的选择性差，不同气体之间存在交叉干扰红外气体传感器基于气体分子对于特定波长红外光的选择性吸收原理工作。与半导体型、催化燃烧型和电化学型气体传感器相比，红外气体传感器具有高度选择性，能实现对气体实现“指纹特征式”识别。
红外气体传感器从上世纪三十年代开始发展，气室是红外气体传感器中红外光线传输、红外光线与待测气体相互作用的通道，是红外气体传感器的必要组成部分，气室的设计对于红外气体传感器的灵敏度、响应时间等具有直接的影响。红外气体传感器的气室主要包括直射式和反射式，为保证传感器的小型化及红外辐射能多次穿过被测气体，光学气室的光路通常设计成反射式，这样相对增加了光程的距离，从而提高了传感器的检测精度。但考虑到每次反射光线能量都会有一定衰减，光线选择在气室中反射的反射次数也不能过多。因此如何能够保证长光程的同时能够减少光线能量的衰减，从而增加红外气体传感器的灵敏度和精准度是研究的关键。
当前，针对红外气体传感器的气室研究主要有公开号CN102279167A为代表的一端镜面反射式气室、公开号CN101004380A为代表的椭圆反射结构气室、公开号CN101825566A为代表的环型结构气室等。采用上述气室结构，导致制备的红外气体传感器存在集成度低、体积大等问题。因此，为提高红外气体传感器的集成度，研制全集成红外气体传感器，需开展小体积、集成化的气室结构的研究。公开号CN103245634A提供一种由凹坑上衬底、凹坑下衬底、键合假片组成的集成气室结构，和基于该集成气室结构的单片集成式红外气体传感器，但该传感器中将红外光源和红外探测器均置于气室吸收腔内部，导致气体与红外光作用的有效光程较短，传感器探测灵敏度较低。公开号CN104677851A、CN105181621A等提供的全集成红外气体传感器采用S型或蛇形气室结构，需在狭窄的气路通道开设进气孔，从进气孔中会导致大量红外光线损失，导致红外光线的通过效率较低，影响红外气体传感器的灵敏度。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于椭圆形气室结构的全集成式红外气体传感器，其具体的结构包括：椭圆形集成气室和集成电路模块。椭圆形集成气室和集成电路模块通过键合、粘接等方式层叠组装。其中，椭圆形集成气室包含气孔层硅基晶圆和光孔层硅基晶圆，两片硅基晶圆通过键合、粘接等方式组合形成气室。光孔层硅基晶圆内蚀刻有椭圆形的凹槽，且开设有与内部椭圆形凹槽连通的入光孔和出光孔。气孔层硅基晶圆内蚀刻有椭圆形凹槽，且开设有与内部椭圆形凹槽连通的气孔。集成电路模块是通过SoC形式或SiP形式集成了红外光源、滤光片、红外探测器和信号处理电路的硅基片或陶瓷基片，红外光源、红外探测器分别对准光孔层的入光孔和出光孔。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于椭圆形气室结构的全集成式红外气体传感器，包括椭圆形集成气室和集成电路模块；所述椭圆形集成气室和集成电路模块通过键合或粘接方式层叠组装；
其中，椭圆形集成气室包含气孔层硅基晶圆和光孔层硅基晶圆；气孔层硅基晶圆和光孔层硅基晶圆通过键合或粘接方式组合形成气室；
光孔层硅基晶圆内蚀刻有椭圆形凹槽，且开设有与内部椭圆形凹槽连通的入光孔和出光孔，入光孔和出光孔处于椭圆形凹槽的两个焦点位置，椭圆形凹槽表面镀有对红外光反射系数大于0.5的反射薄膜；
气孔层硅基晶圆内蚀刻有椭圆形凹槽，且开设有与内部椭圆形凹槽连通的气孔；椭圆形凹槽区域有多个与凹槽连通的气孔，椭圆形凹槽表面镀有对红外光反射系数大于0.5的反射薄膜；
气孔层硅基晶圆的椭圆形凹槽与气孔层硅基晶圆的椭圆形凹槽的长、宽尺寸相同；
集成电路模块是通过SoC形式或SiP形式集成红外光源、滤光片、红外探测器和信号处理电路的硅基片或陶瓷基片，红外光源、红外探测器分别对准光孔层的入光孔和出光孔。
进一步，所述椭圆形凹槽通过干法腐蚀或湿法腐蚀的刻蚀方法加工出来。
进一步，所述气孔呈井字形或梅花形或椭圆形排布。
进一步，所述气孔层硅基晶圆设有反光锥结构，包括圆锥形入光孔反光锥和圆锥形出光孔反光锥，反光锥的锥面与气孔梯形凹槽之间的夹角应处于30°～60°之间；所述入光孔反光锥和圆锥形出光孔反光锥镀有对红外光反射系数大于0.5的反射薄膜。
进一步，所述入光孔反光锥的几何中心位于光孔层硅基晶圆入光孔正上方，气孔层硅基晶圆出光孔反光锥的几何中心位于光孔层硅基晶圆出光孔正上方。
进一步，所述反光锥结构的制备过程是利用硅的各向异性腐蚀技术，首先在特定的取向的单晶硅衬底上进行光刻，光刻过程图形化处理中，在入光孔和出光孔对应位置上预留出圆形图案，并利用各向异性腐蚀技术加工出圆锥形入光孔反光锥和圆锥形出光孔反光锥；其次，通过干法腐蚀或湿法腐蚀的方法，在气孔层梯形凹槽中加工出梅花形或椭圆形排布的多个气孔。
基于所述红外气体传感器的气体浓度探测方法，红外光由红外光源发出，从集成气室的入光孔进入气室内部，与从气孔进入气室内部的待测气体进行作用，后由出光孔射出且经过滤光片后被红外探测器接收，实现特定气体的不同浓度检测。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明中，红外光由红外光源发出，从集成气室的入光孔进入气室内部，与从气孔进入气室内部的待测气体进行作用，后由出光孔射出且经过滤光片后被红外探测器接收，实现特定气体的不同浓度检测。
(2)本发明中，提出具有反光内壁凹槽的椭圆形集成气室。红外光进入具有反光内壁凹槽的椭圆形集成气室，在椭圆形集成气室内可发生多次反射后再被红外探测器接收。椭圆形集成气室的入光孔和出光孔位于椭圆的两个焦点处，根据椭圆切线的性质，通过入光孔进入椭圆的光线经椭圆侧壁反射后会从出光孔射出，光从入光孔进来后，多条光线可能会经过一次(镜面)反射、多次(镜面)反射和漫反射等不同方式到达出光孔。本发明的设计可保证更多的入射红外光从出光孔射出，提高红外气体传感器的探测灵敏度；椭圆形集成气室的气孔层硅基晶圆内椭圆形凹槽上开设多个气孔可提高气体扩散的效率，缩短传感器的响应时间；椭圆形凹槽面积较大，其上开设气孔并不会导致红外光大量泄漏，可保证红外光的传输效率，提高红外气体传感器的探测灵敏度。本发明与S型或蛇形气室结构的红外气体传感器相比，红外光的传输效率更高，探测灵敏度更高。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为现有技术提供的全集成红外气体传感器的结构示意图；
图2为本发明提供的基于椭圆形气室结构的全集成红外气体传感器的结构示意图；
图3为本发明提供的椭圆形气室中光孔层硅基晶圆的结构图；
图4为本发明提供的椭圆形气室中光孔层硅基晶圆长半轴方向的截面示意图；
图5为本发明提供的椭圆形气室中光孔层硅基晶圆短半轴方向的截面示意图；
图6为本发明提供的椭圆形气室中光孔层硅基晶圆光线反射示意图；
图7为本发明提供的椭圆形气室中气孔层硅基晶圆的结构图；
图8为本发明提供的椭圆形气室中带反光锥气孔层硅基晶圆的结构图。
附图标记：1-气孔层硅片，2-微型槽层硅片，3-滤光片，4-红外敏感元，5-集成电路硅片，6-红外光源，7-气孔层硅基晶圆，71-气孔，72-气孔层椭圆锥形凹槽，73-气孔层组装面，74-入光孔反光锥，75-出光孔反光锥，8-光孔层硅基晶圆，81-入光孔，82-出光孔，83-椭圆形凹槽，84-光孔层组装面，9-集成电路模块，91-红外光源，92-滤光片，93-红外敏感元，
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
图1是现有技术提供的全集成红外气体传感器的结构示意图，包括气孔层硅片1、微型槽层硅片2、滤光片3、红外敏感元4、集成电路硅片5和红外光源6；本实施例中基于椭圆形气室结构的全集成红外气体传感器的结构如图2所示，由集成气室和电路层通过键合、粘接等方式层叠组装。
其中，集成气室是由气孔层硅基晶圆7和光孔层硅基晶圆8组成。光孔层硅基晶圆8结构如图3所示，其制备过程是利用硅的各向异性腐蚀技术，首先在特定的取向的单晶硅衬底上进行光刻，利用各向异性腐蚀技术加工出长半轴为a、短半轴为b(a>b)椭圆形凹槽83，凹槽的高度d小于晶圆厚度e；其次，通过干法腐蚀或湿法腐蚀的方法，在光孔层椭圆锥形凹槽中的长半轴上加工入光孔81和出光孔82，入光孔81和出光孔82的几何中心分别置于椭圆锥形凹槽的两个焦点P1和P2上。若采用湿法腐蚀方法加工会出现，由于腐蚀角度(α)的因素影响，会导致长半轴缩短为a'＝a-cotα×d(如图4所示)，短半轴缩短为b'＝b-cotα×d(如图5所示)，因此，两个焦点的距离将会由变为为避免焦点缩短导致红外光无法从出光孔82射出的问题，出光孔82的宽度需大于c'-c，且出光孔82面积不小于红外敏感元93的有效探测面积。入光孔81面积不小于所选用的红外光源91有效发光面积，为便于加工，入光孔81和出光孔82设计为相同尺寸。最后，为提高红外光在集成气室内的反射效率，在光孔层梯形凹槽上镀金、银、铜、水银、合金、铂等反射性能较好的反射薄膜。
根据椭圆的性质，本发明中在不考虑漫反射的情况下，红外光的光程计算值处于[2a',2a]的范围内，如图6所示。光从入光孔进来后，多条光线可能会经过一次(镜面)反射、多次(镜面)反射和漫反射等不同方式到达出光孔。若出现漫反射和多次镜面反射，红外光的实际光程将远远大于[2a',2a]的范围。
气孔层硅基晶圆7结构如图7所示，其制备过程是利用硅的各向异性腐蚀技术，首先在特定的取向的单晶硅衬底上进行光刻，利用各向异性腐蚀技术加工出与光孔层椭圆锥形凹槽相同形状的气孔层椭圆锥形凹槽72；其次，通过干法腐蚀或湿法腐蚀的方法，在气孔层圆锥形凹槽中加工出“井字形”、“梅花形”、“椭圆形”或位置随机摆放的任意数量的气孔71，在保障待测气体能够快速从外界环境交换入集成气室的同时还需要尽可能避免红外光源91从气孔71的损失；最后，为提高红外光在集成气室内的反射效率，同样在气孔层圆锥形凹槽上镀金、银、铜、水银、合金、铂等反射性能较好的反射薄膜。
气孔层硅基晶圆7和光孔层硅基晶圆8可通过键合、粘接等方式层叠组装。若采用键合组装方式，需分别在气孔层组装面73和光孔层组装面84上镀金等金属材料，再进行高温加压键合。
集成电路模块9的电路层通过SOC形式或SIP形式集成红外光源91、光源驱动电路、中央处理器、数字信号处理模块、红外敏感元93、信号放大模块和电源管理模块。其中，电源管理模块为整个全集成红外气体传感器的能量管理系统。中央处理器和数字信号处理模块共同协调整个全集成红外气体传感器的信号控制功能。光源驱动电路在收到中央处理器的控制指令后，驱动红外光源91发出红外光；红外光在进入红外敏感元93前，先被滤光片92滤除非被测气体红外特征吸收波段的红外光，只有被测气体红外特征吸收波段的红外光进入红外敏感元93。红外敏感元93接收到红外光信号后，经过信号放大、信号处理等步骤，最终获得待测气体的浓度值。
此外，本专利为进一步提高红外光在集成气室内的反射效率，在气孔层硅基晶圆7中设计反光锥结构，如图8所示。其制备过程是利用硅的各向异性腐蚀技术，首先在特定的取向的单晶硅衬底上进行光刻，光刻过程图形化处理中，在入光孔81和出光孔82对应位置上预留出圆形图案，并利用各向异性腐蚀技术加工出与光孔层椭圆锥形凹槽相同形状的气孔层梯形凹槽、圆锥形入光孔反光锥74和圆锥形出光孔反光锥75，气孔层硅基晶圆7的入光孔反光锥74的几何中心位于光孔层硅基晶圆8的入光孔81正上方，气孔层硅基晶圆7的出光孔反光锥75的几何中心位于光孔层硅基晶圆8的出光孔82正上方，反光锥的锥面与气孔梯形凹槽之间的夹角应处于30°～60°之间；其次，通过干法腐蚀或湿法腐蚀的方法，在气孔层梯形凹槽中加工出“井字形”、“梅花形”、“椭圆形”或位置随机摆放的任意数量的气孔71，在保障待测气体能够快速从外界环境交换入集成气室的同时还需要尽可能避免红外光源91从气孔71的损失；最后，为提高红外光在集成气室内的反射效率，在气孔层梯形凹槽、入光孔反光锥74和圆锥形出光孔反光锥75上镀金、银、铜、水银、合金、铂等反射性能较好的反射薄膜。
气孔和光孔可以是包括正方形、长方形或圆形的任意形状。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。