一种多种气体检测的阵列芯片及制备方法与流程

本公开的实施例属于气体传感器，具体涉及一种多种气体检测的阵列芯片及制备方法。

背景技术：

1、非分散红外(ndir)气体传感器是一种利用红外线吸收原理，通过检测环境空气中特定气体分子对特定波长的红外辐射的吸收来实现气体成分检测的一种传感器。ndir气体传感器主要由光源、样品室、光谱滤波器、探测器等组成。传感器将环境空气通过样品室，样品室中经过红外光源照射的气体分子会对特定波长的红外辐射进行吸收，被吸收的红外辐射量与气体浓度成正比。随后，传感器使用光谱滤波器选择出感兴趣波长，使其只能到达探测器。探测器可以测量到被吸收的红外辐射强度，进而反映出气体浓度值。

2、ndir红外气体传感器是利用不同气体具有自己独特的分子结构，对红外光具有特定吸收谱这一特性来实现的，也即是不同的气体对某一特定波段的红外光具有吸收能力。而这个特定波段红外光就称为该气体的红外吸收峰，不同的气体的红外吸收峰是不一样的，即使在混合气体环境中各气体之间的红外吸收也不会相互干扰。这种性质不会因外界条件的改变而改变，某一待测气体吸收的能量大小与该气体在红外光区内的浓度有关，浓度越大吸收能量越多。当红外光通过气体时，在相应频率处就会产生能量衰减，而能量的衰减程度又与气体浓度大小有关，通过分析红外光的衰减程度即可推算出待测气体浓度。待测气体对红外光的吸收服从朗伯-比尔定律。ndir气体传感器就是利用这一特性来对特定气体浓度进行定性和定量分析。

3、相比于其他传感器，ndir气体传感器具有检测精度高、响应速度快、稳定性好、抗干扰性强等优点，并且可以检测多种气体成分。因此，ndir气体传感器广泛应用于空气质量检测、工业排放监测、医疗诊断等领域。

4、行业内ndir气体传感器探测器中的芯片一般需要配合外购的特定波段的滤光片进行特征气体的检测，但其存在如下问题：1、检测灵敏度低的问题；2、外购的滤光片需要与气体芯片进行to封装，导致传感器尺寸大，不方便客户安装使用，且器件的一致性不可控；3、不能对不同种类气体浓度的检测；4、气体浓度检测的抗干扰性差。

5、因此，如何解决上述问题成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本公开的实施例旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种多种气体检测的阵列芯片及制备方法。

2、本公开的实施例的第一个方面，提供一种多种气体检测的阵列芯片，包括：

3、所述芯片包括硅透镜阵列结构、芯片本体和谐振腔式阵列结构；所述硅透镜阵列结构包括硅基底和若干滤光片；所述硅基底具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面形成有透镜阵列；所述硅基底的第二表面设置有所述滤光片；所述透镜与所述滤光片的位置对应设置；

4、所述硅基底的第一表面与所述芯片本体上表面集成连接；其中，所述透镜与所述芯片本体的中心热端的位置相对应；

5、所述谐振腔式阵列结构设置于所述芯片本体的下表面；所述谐振腔式阵列结构形成有不同深度的凹坑阵列；

6、所述芯片本体的衬底形成有背腔，所述背腔与所述芯片本体的中心热端位置相对应；其中，所述凹坑表面设有反射层；所述凹坑与所述背腔对应设置，且所述凹坑与所述背腔共同构成谐振腔；所述反射层的材质包括铝铬合金。

7、可选的，所述凹坑阵列通过刻蚀工艺形成。

8、可选的，所述刻蚀工艺包括在感应耦合等离子刻蚀系统(icp)的刻蚀腔中，及在sf6气体的等离子体环境下进行干法刻蚀。

9、可选的，所述反射层的厚度为300～500nm。

10、可选的，所述谐振腔式阵列结构与所述芯片本体的下表面进行soc集成。

11、可选的，所述凹坑深度值为1/4λ～3/4λ，其中λ为红外波段波长。

12、可选的，所述芯片本体包括半导体结构层及集成于所述半导体结构层内的cmos器件结构和mems器件结构。

13、可选的，所述半导体结构层包括衬底和层叠于所述衬底上支撑层、氧化层和钝化层。

14、本公开的实施例的第二个方面，提供一种多种气体检测的阵列芯片的制备方法，用于制备上述所述的芯片，包括：

15、制备硅透镜阵列结构；

16、制备芯片本体；

17、制备谐振腔式阵列结构；

18、集成所述硅透镜阵列结构、所述谐振腔式阵列结构和所述芯片本体。

19、可选的，所述制备谐振腔式阵列结构，包括：

20、提供p型双抛硅片，并进行清洗和减薄处理；

21、利用飞秒激光加工工艺对所述硅片表面进行刻蚀处理，在所述硅片上形成凹坑阵列；

22、在所述凹坑表面形成反射层。

23、本公开的实施例的有益效果，包括：

24、本公开中，不同气体浓度的检测所需的红外波段不同，波长不同，进而选用的谐振腔的高度不同，本公开设置不同深度的凹坑，使其与背腔构成不同高度的谐振腔，可以实现多种气体检测。进一步，反射层的反射作用使光线在谐振腔内往返传播，使得透过的窄带滤光片的光线能量不断增强，形成自激振荡，从而进一步增加芯片中心部位对光源所散发出的微弱光强的接收及汇聚，进而增强芯片对特异性气体检测的灵敏度。

技术特征：

1.一种多种气体检测的阵列芯片，其特征在于，所述芯片包括硅透镜阵列结构、芯片本体和谐振腔式阵列结构；所述硅透镜阵列结构包括硅基底和若干滤光片；所述硅基底具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面形成有透镜阵列；所述硅基底的第二表面设置有所述滤光片；所述透镜与所述滤光片的位置对应设置；

2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的芯片，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的芯片，其特征在于，

5.根据权利要求3所述的芯片，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，

7.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，

8.根据权利要求7所述的芯片，其特征在于，

9.一种多种气体检测的阵列芯片的制备方法，用于制备权利要求1-8任一项所述的芯片，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述制备谐振腔式阵列结构，包括：

技术总结
本公开的实施例提供一种多种气体检测的阵列芯片及制备方法，包括：芯片包括硅透镜阵列结构、芯片本体和谐振腔式阵列结构；硅透镜阵列结构包括硅基底和若干滤光片；硅基底具有相对的第一表面和第二表面，第一表面形成有透镜阵列；硅基底的第二表面设置有滤光片；透镜与滤光片的位置对应设置；硅基底的第一表面与芯片本体上表面集成连接；其中，透镜与芯片本体的中心热端的位置相对应；谐振腔式阵列结构设置于芯片本体的下表面；谐振腔式阵列结构形成有不同深度的凹坑阵列；芯片本体的衬底形成有背腔，背腔与芯片本体的中心热端位置相对应；其中，凹坑表面设有反射层；凹坑与背腔对应设置，且凹坑与背腔共同构成谐振腔。

技术研发人员：杨绍松,刘同庆
受保护的技术使用者：无锡芯感智半导体有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24