红外传感器阵列芯片及应用其的混合气体传感器的制作方法

1.本实用新型属于混合气体传感器技术领域，具体涉及一种红外传感器阵列芯片及应用其的混合气体传感器。


背景技术：

2.非色散红外(ndir)气体传感器是一种主要的气体检测传感器，主要由红外光源、气室、滤光片和红外探测器组成。红外光通过气室、滤光片射向红外探测器。气室中的气体分子会引起特定波长的吸收，滤光片过滤掉其他波长的光，通过检测这些波长的衰减从而确定气体种类和浓度。
3.通常ndir混合气体传感器通常包含多个ndir气体检测通道，每个通道中均包含一个探测器芯片和一个红外窄带滤光片。
4.现有技术缺点：
5.1)基于化学电阻气敏材料的混合气体传感器，需要多个传感器集成；
6.2)基于μgc技术混合气体传感器，尺寸大、系统复杂；
7.3)基于ftir技术混合气体传感器，体积庞大、成本高、不适合气体监测；
8.4)基于ndir技术的混合气体传感器，目前通常需集成多个ndir 单通道气体传感器，或使用具有多个滤光片的ndir多通道气体传感器，或使用单气体通道和滤光片斩波系统，导致传感器尺寸和成本增加。


技术实现要素：

9.有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种红外传感器阵列芯片及应用其的混合气体传感器。
10.为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
11.本实用新型实施例一提供一种红外传感器阵列芯片，包括衬底、信号电路、红外传感组件和超材料，所述信号电路设置于所述衬底上，所述红外传感器组件设置于衬底上，所述超材料集成于红外传感组件上。
12.本实用新型优选地，所述红外传感组件包括多个红外传感单元，多个所述红外传感单元均匀正列设置于衬底上。
13.本实用新型优选地，所述衬底上设置有正列排布的多个空腔，每个所述空腔内包含一个集成超材料的红外传感单元。
14.本实用新型优选地，所述红外传感单元置于空腔的中上部，底部设置有用于红外传感单元散热的散热间隙。
15.本实用新型优选地，所述空腔的横截面可以为梯形、矩形或其他几何形状。
16.本实用新型优选地，每个所述红外传感单元集成一种超材料，不同红外单元可集成与其他单元相同或不同的超材料，集成相同超材料的红外传感单元用于检测同一种气体，将集成不同超材料的红外传感单元组合成阵列实现检测不同的气体。
17.本实用新型优选地，所述超材料包括第一金属层、介质层和第二金属层，所述第一金属层、介质层和第二金属层依次连接设置，所述第一金属层和第二金属层的材质为金、铝、铂或铜中的任一一种材料，所述介质层的材质为二氧化硅、氮化硅或二氧化硅及氮化硅复合层中的一种。
18.本实用新型实施例二提供一种混合气体传感器，包括上述的红外传感器阵列芯片、气室、红外光源、处理电路和引脚，所述红外光源设置于气室的一端，所述红外传感器阵列芯片设置于气室的另一端，所述红外光源用于发出红外光，该红外光通过气室入射到红外传感器阵列芯片，所述处理电路与红外光源和红外传感器阵列芯片电气连接，通过引脚对信号进行控制及输出操作。
19.本实用新型优选地，所述气室上设置有气孔，使用过滤膜覆盖，所述气室为采用铜、铝、钛合金、尼龙、abs、pmma、pp、pc或 pvc中的一种材料制作而成，当所述气室采用尼龙、abs、pmma、 pp、pc或pvc中的一种材料制作时，所述气室内部设置有镀层，所述镀层为铂、金或铝的一种。
20.本实用新型优选的，所述红外传感器可使用热电堆、热释电和红外焦平面中的一种。
21.本实用新型优选地，所述处理电路包括红外光源控制电路、探测器控制电路、信号处理电路和信号传输电路，所述红外光源控制电路用于对红外光源的供电与调制，所述探测器控制电路用于对红外传感器阵列芯片的供电与调制，所述信号处理电路用于对红外传感器阵列芯片的输出信号的处理，对气体种类判断及浓度计算，所述信号传输电路通过引脚对气体检测结果传输。
22.与现有技术相比，本实用新型将滤光部分与红外探测部分集成到一个芯片上，方便加工制造，降低成本，避免使用滤光片，降低成本，缩小尺寸，通过超材料与一个红外探测器阵列单元组成一种气体检测单元，提高混合气体传感器的集成度，降低系统封装难度。
附图说明
23.图1是本实用新型实施例2提供的一种混合气体传感器的结构示意图；
24.图2是本实用新型实施例1提供的一种红外传感器阵列芯片的结构示意图；
25.图3是本实用新型实施例1提供的一种红外传感器阵列芯片的剖视结构示意图。
26.图4为本实用新型实施例一所述空腔为梯形结构时的横截面示意图；
27.图5为本实用新型实施例一所述支撑梁较长时的俯视结构示意图；
28.图6为本实用新型实施例一所述空腔为长方形结构时的横截面示意图；
29.图7为本实用新型实施例一所述支撑梁较短时的俯视结构示意图。
具体实施方式
30.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
31.在本实用新型的描述中，需要明确的是，术语“垂直”、“横向”、“纵向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“水平”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，
仅仅是为了便于描述本实用新型，而不是意味着所指的装置或元件必须具有特有的方位或位置，因此不能理解为对本实用新型的限制。
32.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
33.实施例一：
34.如图2和图3所示，本实用新型实施例一提供一种红外传感器阵列芯片，包括衬底21、信号电路22、红外传感组件和超材料，所述信号电路22通过cmos工艺制作于所述衬底21上，所述红外传感器组件设置于衬底21上，所述超材料集成于红外传感器组件上。
35.如图2和图3所示，所述红外传感组件包括多个红外传感单元 24，多个所述红外传感单元24均匀正列设置于衬底21上。
36.如图2和图3所示，所述衬底21上设置有正列排布的多个空腔 23，每个所述空腔23内包含至少一个集成超材料的红外传感单元24。
37.如图2和图3所示，所述红外传感单元24通过支撑梁26置于空腔23的中上部，底部设置有用于红外传感单元24散热的散热间隙。
38.如图3和图4所示，每个所述散热间隙之间间隔设置有钝化层 28，所述底衬21上集成处理电路22、红外传感单元24、超材料25 和钝化层28后覆盖有保护层，所述保护层为氮化硅制作而成。
39.如图4和图6所示，所述空腔23的横截面可以为梯形、矩形或其他几何形状。
40.如图5和图7所示，所述支撑梁26可以为图示结构或其他可支撑薄膜的结构。
41.每个所述红外传感单元24集成一种超材料25，不同红外单元可集成与其他单元相同或不同的超材料25，集成相同超材料25的红外传感单元24用于检测同一种气体，将集成不同超材料的红外传感单元24组合成阵列实现检测不同的气体。
42.如图2和图3所示，所述超材料包括第一超材料201、第二超材料202、第三超材料203、第四超材料204、第五超材料205和第六超材料206，所述芯片24每六个为一组正列排列设置，其组成的横列和纵列上不规则的设置有第一超材料201、第二超材料202、第三超材料203、第四超材料204、第五超材料205和第六超材料206。
43.如图2和图3所示，所述第一超材料201、第二超材料202、第三超材料203、第四超材料204、第五超材料205和第六超材料206 均包括第一金属层、介质层和第二金属层，所述第一金属层、介质层和第二金属层依次连接设置，所述第一金属层和第二金属层的材质为金、铝、铂或铜中的任一一种材料，所述介质层的材质为二氧化硅、氮化硅或二氧化硅及氮化硅复合层中的一种。
44.如图2和图3所示，所述第一超材料201对二氧化碳的特征吸收峰为4.26μm，所述第二超材料202对一氧化氮的特征吸收峰为5.3 μm，所述第三超材料203对二氧化氮的特征吸收峰为6.3μm，所述第四超材料204对甲烷的特征吸收峰为3.33μm，所述第五超材料 205对臭氧的特征吸收峰为9μm，所述第六超材料206对甲烷的特征吸收峰为10.5μm。
45.实施例二：
46.如图1所示，本实用新型实施例二提供一种混合气体传感器，包括上述的红外传感器阵列芯片13、气室11、红外光源12、处理电路 22和引脚15，所述红外光源12设置于气室11的一端，所述红外传感器阵列芯片13设置于气室11的另一端，所述红外光源12用于发出红外光，该红外光通过气室11入射到红外传感器阵列芯片，所述处理电路22与红外光源12和红外传感器阵列芯片13电气连接，通过引脚15对信号进行控制及输出操作。
47.本实用新型优选地，所述气室11上设置有气孔，使用过滤膜16 覆盖，所述气室11为采用铜、铝、钛合金、尼龙、abs、pmma、 pp、pc或pvc中的一种材料制作而成，当所述气室11采用尼龙、 abs、pmma、pp、pc或pvc中的一种材料制作时，所述气室11内部设置有镀层，所述镀层为铂、金或铝的一种，为提高气室11的抗腐蚀性，可在气室11表面镀铂或金。
48.本实用新型优选地，所述处理电路22包括红外光源控制电路、探测器控制电路、信号处理电路和信号传输电路，所述红外光源控制电路用于对红外光源的供电与调制，所述探测器控制电路用于对红外传感器阵列芯片的供电与调制，所述信号处理电路用于对红外传感器阵列芯片的输出信号的处理，对气体种类判断及浓度计算，所述信号传输电路通过引脚对气体检测结果传输。
49.综上所述，本实用新型将滤光部分与红外探测部分集成到一个芯片上，方便加工制造，降低成本，避免使用滤光片，降低成本，缩小尺寸，通过超材料与一个红外探测器阵列单元组成一种气体检测单元，提高混合气体传感器的集成度，降低系统封装难度。
50.以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。