一种多通道集成红外气体传感器的制作方法

本发明属于气体传感器技术领域，涉及红外气体传感器，具体为一种多通道集成红外气体传感器。

背景技术：

红外气体传感器有着广泛的用途，例如爆炸性气体动态检测，大气温室气体动态检测，家居有害气体检测等等。红外气体传感器的工作原理是以朗博-比尔定理和红外吸收光谱为基础的。朗博-比尔定理可以概括为：光被透明介质吸收的比例与入射光强度无关，只与透明介质的浓度和光程长度有关；其公式可简写为a＝k*l*c，a为气体的出射光与入射光的吸收比，l为光程长度，c为被测气体浓度，k为被测气体的吸光系数。红外吸收光谱的基本原理可以概括为，组成物质的化学键或官能团具有固定的振动频率，当特定波长红外光照射此种物质时，将会发生振动吸收，不同的物质吸收不同频率的红外光，以此可以获得物质中含有何种化学键或官能团的信息，从而判断物质的种类。通过朗博比尔定理以及红外吸收光谱的基本原理，我们可以制作出探测气体浓度或气体种类的红外气体传感器。

红外气体传感器根据光源工作方式的不同可分为分光式与非分光式两种，相对而言，非分光式红外(ndir)气体传感器的光源结构相对简单而赢得更多的应用。ndir气体传感器的基本部件主要有红外光源、气室、滤光片、红外敏感元四个部分，信号处理以及供电等电路则通常放置在传感器外部。当传感器正常工作时，红外光源在调制信号的驱动下发出固定频率的脉冲红外光，同时，被测气体通过设置在气室上的通气孔进入气室；脉冲红外光通过一个入口进入气室中且穿过被测气体，特定波段的红外光将被待测气体吸收从而产生衰减；衰减后的红外光通过气室出口到达红外敏感元，被敏感元吸收探测后产生响应信号；通过对不同气体浓度作用下传感器响应信号进行标定处理，即可得出被测气体的浓度或者类别等信息。

为了提高红外气体传感器的精确度与抗干扰性，ndir气体传感器通常采用测试通道和参考通道的比值进行气体浓度测量。通过选择测试通道和参比通道的滤光片波长，使参比通道的信号强度几乎不随气体浓度的变化而变化，而测试通道的信号强度随气体浓度增加而减小，通过两个通道信号强度的比值大小来计算出测试通道中被测气体的浓度。

从ndir气体传感器的原理不难看出，气室的光传输效率和气体交换效率对其测试的精确度和响应时间有着显著的作用，传统的气室结构通常采用在光通道上开设气孔进行气体交换的设计，这些设置在光通道上的气孔导致了光传输的衰减；而为了保证气体测量精度通常需要气室有较长的光程长，不仅使得传感器的体积难以缩小，不易于集成化与微型化，也加剧了非气体吸收导致的红外光衰减，进而导致测量精度的下降和响应时间的延长。

综上所述，传统的ndir气体传感器及其气室的结构特征与设计思想，难以满足便携式设备和移动终端对红外气体传感器小型化、集成化、智能化的发展需求。

技术实现要素：

针对上述存在问题或不足，为解决现有ndir气体传感器结构复杂，不易于集成化与微型化的问题，本发明提供了一种多通道集成红外气体传感器，以硅片为基底的多通道微型气室结构，以及与其配套的集成电路层设计。它具有体积小、测量精度高、集成度高，可批量化制备等优点。

本发明的技术方案为：

一种多通道集成红外气体传感器，由上、下两层气室硅片与集成电路层构成。

所述上层气室硅片开设气孔，气孔为贯穿硅片的通孔；

所述下层气室硅片开设数目为n+1个光槽，用作参考通道与测量通道红外光的传导路径；其中n≥1，n为该传感器所测气体种类数目。

所述下层气室硅片开设至少1个气槽，用于连通上层气室硅片气孔与下层气室硅片光槽，每个光槽均会有至少1个气槽与其相通。

光槽首尾两端分别开设红外光源窗口和红外敏感元窗口，窗口为贯穿硅片的通孔，使红外光源窗口、红外敏感元窗口与微型气室形成一个可进出通道；n+1个光槽分别划分为探测通道和参比通道，一个为参比通道其余n个为探测通道；所有通道的入口共用一个红外光源窗口，所有通道出口均分开，形成独立的敏感元窗口，每个敏感元窗口相同，分别对应一个敏感元，每个通道的敏感元为同样的敏感元；光槽的平面形状呈曲折蛇形或是直线型。

将上层气室硅片与下层气室硅片有光槽和气槽的一面黏合，构成由光槽和气槽及气孔组合形成的微型气室，通过气孔使微型气室与外界联通；在上层硅片气室开设的气孔只分布在下层气室硅片气槽的对应位置，不在下层气室硅片光槽对应的位置设置气孔，减少光在光槽传输途中光线从气孔逃逸的数量，提高测试精度；所有光槽均与气槽相通，气体只能通过气槽上方的气孔进入气槽，然后再扩散进入光槽中。

所述集成电路层包括集成电路衬底以及衬底上表面的红外光源、红外敏感元和信号处理电路；红外光源、红外探测器分别对应设置于红外光源窗口、红外敏感元窗口。

集成电路层具有红外信号处理、电源驱动与外部电气互联功能；红外光源由电源驱动提供驱动信号，红外光线经过敏感元转换为电信号后，经集成电路进行信号放大以及数模转换，最后通过与外部的电气互联将信号输出转换为测试结果。

进一步的，所述上层气室硅片与下层气室硅片黏合的面也开设与下层气室硅片相对应的光槽与气槽，增加微型气室的体积，提高测试精度。

进一步的，所述所述光槽和气槽的表面均生长金属薄膜，以增加光槽和气槽表面的红外反射率，提高红外光的传输效率。

进一步的，所述光源发射光为广谱红外光线时，下层气室硅片的所有光槽通道尾端敏感元窗口处均设置有滤光片。

综上所述，本发明通过硅基上制备多通道气室，与集成电路结合得到的全集成红外气体传感器，并通过气孔的设置方式使得气体只能通过气槽上方的气孔进入气槽，然后扩散进入光槽中，减少光在光槽传输途中光线从气孔逃逸的数量，以提高测试精度。具有体积小、测量精度高、易批量制备的优点，有效拓展红外气体测量技术的应用范围，适用于更多的小型或便携式电子设备，如手机、智能手表、多功能手环等。

附图说明

图1传感器实施例3d示意图；

图2传感器实施例横截面示意图；

图3气室下硅片顶部视图；

图4气室上硅片底部视图；

图5晶圆级器件切割示意图；

附图标记：101-底层集成电路基底，102-气室下硅片，103-气室上硅片，104-为滤光片，105-红外光源，106-红外敏感元，107-气孔，108-光路通道，109-气室气体通道，201-光路通道红外光线出口，202-光路通道红外光线入口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本实施例中全集成红外气体传感器，其结构如图1所示，由微型气室上下硅片102、103以及集成电路基底101键合构成。

所述微型气室上下硅片102、103，是利用深硅加工技术在硅衬底上利用湿法腐蚀或干法刻蚀形成微槽作为气体扩散和红外光传输的通道，然后通过键合工艺将上下硅片102、103键合在一起作为微型气室。

所述的微型气室下硅片102表面凹槽数为二，在凹槽两端有三个通孔，两凹槽一端共用一个通孔，即光路通道红外光线入口，如图3中202所示；另一端分别于两个通孔相连，即光路通道红外光线出口，如图3中201所示。在两条光路凹槽中间，利用同样的加工方式制备一条凹槽，为气室气体通道，此通道与两个光路通道都相连，如图3中109所示。

所述微型气室上硅片103具有与下硅片同样的凹槽结构，如图4所示。上硅片具有与下硅片相同的光路通道凹槽108和气室气体通道凹槽109，同时，还在气室气体通道109处开有若开气孔107，气孔连通外部环境与气体通道，使外部环境气体可以进入气室通道，然后扩散至光路通道中。

所述上下硅片的凹槽根据加工工艺的不同，其横截面呈现为梯形、v型、方形等；红外光线的出入口以及气孔根据加工工艺不同，其横截面呈现为梯形、沙漏型、方形等。所有凹槽表面通过热蒸发、电子束、溅射等方式制备一层金属薄膜，提高凹槽表面对红外光的反射率，减少红外光线在传播过程中的耗散。上下硅片在凹槽制备完成之后，通过金属键合、亲水性键合、硅硅键合等键合工艺组合在一起，上下硅片凹槽在键合后形成一条半密封通道，作为红外光线的光路通道。

所述集成电路基底主要包括红外光源105、红外敏感元106、信号处理集成电路，如图1中101所示。红外光源105所处位置对应微型气室下硅片102中所设计的光路通道红外光入口202；红外敏感元106所处位置对应微型气室下硅片102中所设计的光路通道红外光线出口201。

所述红外光源105可为led灯或者mems工艺制备的热光源，在集成电路中电源驱动的驱动下可发射出调制的红外光线；所述红外敏感元106为各种热敏感材料或红外敏感材料制备的薄膜或块材，两个红外敏感元必须一模一样，它可以将调制的红外光线吸收转化带有被测气体信息的电信号，进入信号处理电路后可得到想要得到的待测气体的信息。在所述红外敏感元106与光路通道红外光线出口201之间，每个出口均放置有滤光片104；并且，参比通道与测试通道的滤光片的中心波长和带宽不一样，测试通道经过滤光片后的红外信号几乎只有带有被测气体信息的特定波长的红外光，而参比通道中经过滤光片后的红外信号里不带有被测气体信息，且其强度几乎不随被测气体浓度等参数的改变而改变。

上述的微型气室和集成电路基底集成在一起，形成微型全集成红外气体传感器。外部电源施加在集成电路基底上，集成电路电源驱动产生驱动信号，供应红外光源发出调制红外光和信号处理电路的正常运转；红外光线自光源发出，通过光路通道红外光线入口202进入光路通道108中，同时环境待测气体通过气孔107进入气室气体通道109并扩散至光路通道108中，红外光线穿过待测气体发生衰减，然后经过滤光片104过滤掉多余波长后，到达红外敏感元106，被吸收后转化为电信号进入集成电路进行信号处理，最终传输到传感器之外进行分析。

以下结合具体实施步骤说明该探测器的制备流程：

微型气室制备，主要利用单晶硅的各项异性腐蚀以及激光刻蚀工艺制备硅基微型气室。选取厚度为0.5mm的(100)取向的4英寸单晶硅，在晶圆上制作图形化光刻胶掩膜，其图形可参考图3与图4的形状。

配置湿法腐蚀液，选取凹槽的深度值，计算腐蚀时间，制作上下硅片的光路通道108和气室气体通道109；

在上、下硅片凹槽的另一面同样制备图形化的光刻胶，然后利用激光刻蚀出通孔，作为微型气室的气孔107和光路通道的出入口201、202。

用电子束蒸发、阻蒸或溅射等方式在上下硅片凹槽表面镀一层20nm厚的au膜；然后利用共金键合的方式将上下硅片的4英寸晶圆直接键合在一起。

在4寸晶圆硅片上利用mems工艺制备集成电路基底，包括电源驱动、信号处理和mems红外光源；然后将厚度75um的热释电lto(钽酸锂)单晶块材固定在基底上与电路连接。

将硅基微型气室的晶圆与集成电路基底晶圆进行晶圆级键合，然后利用激光等方式切割，形成若干单个的集成红外气体传感器，如图5所示。