CN100562971C - 红外辐射元件和使用其的气敏传感器 - Google Patents

Abstract

在红外辐射元件(A)中，绝热层(2)沿厚度方向形成于半导体衬底(1)的表面上，其比半导体衬底(1)具有充分小的热导率，加热层(3)形成于绝热层(2)上，其为薄层(平面)形式且比绝热层(2)具有更大的热导率和更大的电导率，用于通电的成对的焊盘(4)形成于发热层(3)上。半导体衬底(1)由硅衬底制成。绝热层(2)和加热层(3)由孔隙率彼此不同的多孔硅层形成，且加热层(3)具有小于绝热层(2)的孔隙率。通过将该红外辐射元件(A)作为气敏传感器的红外辐射源，有可能延长红外辐射源的寿命。

Description

红外辐射元件和使用其的气敏传感器

技术领域

本发明涉及一种红外辐射元件和使用其的气敏传感器。

背景技术

已经提供了多种类型的使用红外辐射源的分析仪，例如红外气体分析仪。用于此类分析仪中的典型红外辐射源是卤素灯。不过，卤素灯很大并且寿命较短，因此难以将其用于利用红外线探测气体的小型气敏传感器。

因此，作为能够小型化的红外辐射源，利用微加工技术形成的红外辐射元件已经在许多地方被开发出来(例如，参见日本未审专利公开No.9-153640([0027]-[0028]段，图2)、日本未审专利公开No.2000-236110([0017]-[0019]段，图1和2)以及日本未审专利公开No.10-294165([0014]-[0015]段，图1))。

在以上专利文件中，披露了一种所谓的微桥结构的红外辐射元件，其包括支撑衬底和跨过所述支撑衬底的金属丝热发生器，该支撑衬底通过使用微加工技术由硅衬底等形成且为矩形框架的形式。在具有这类微桥结构的红外辐射元件中，通过为金属丝热发生器通电产生的焦耳热从金属丝热发生器发射红外线，且这种红外辐射元件能够对流经热发生器的电流的通/断状态迅速做出响应，因为热发生器被空气包围，所以热发生器和其环境之间的热容量差能够得到增大。

不过，在上述具有微桥结构的红外辐射元件中，热发生器易于破损，且它可能会被热所熔化，因为热发生器是线形的，并且仅仅热发生器的两端被支撑衬底支撑着。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种与常规红外辐射元件相比能够具有长寿命的红外辐射元件，以及使用该种红外辐射元件的气敏传感器。

本发明的红外辐射元件包括：半导体衬底；多孔绝热层，形成于所述半导体衬底的表面上且具有比半导体衬底更小的热导率；以及形成于所述绝热层上的发热层，其具有比所述绝热层大的热导率和电导率并在通电时发射红外线。

因此，因为在该红外辐射元件中，通电时发射红外线的发热层形成为平面形状并被支撑在多孔绝热层上，所以有可能提高红外线辐射的量，并有可能延长红外辐射元件的寿命。

优选地，半导体衬底为硅衬底，绝热层和发热层均为多孔硅层，且发热层具有比绝热层小的孔隙率。更优选地，发热层的孔隙率为2-45％，且绝热层的孔隙率为40-80％并比发热层大10％以上。

更优选地，所述发热层掺有杂质，使得电导率变得高于所述硅衬底，且其电阻温度系数变为正值。

发热层可以是具有导电性的碳层，或者通过杂质掺杂具有导电性的非晶硅层。优选地，所述非晶硅层在表面侧上具有比绝热层侧上更高的掺杂浓度。

还优选的是，在发热层的表面上形成许多凸起和凹陷。

还优选的是，在所述发热层的表面上堆叠多个层，用于限制发射到外部的红外线的波段。

还优选的是，在半导体衬底的相对表面上堆叠反射涂层，所述反射涂层将从发热层向半导体衬底侧发射的红外线反射到发热层侧。

还优选的是，在半导体衬底的相对表面上提供热导率小于半导体衬底的绝热构件。

还优选的是，发热层经由电导率小于所述绝热层的绝缘层形成于绝热层上。

附图说明

图1为根据本发明实施例的红外辐射元件的示意性截面图。

图2为用于解释由图1的红外辐射元件所发射的红外线的图。

图3是示出用于图1的红外辐射元件的驱动电路一例的电路图。

图4A是图1的红外辐射元件的发热层的优选形状的放大截面图。

图4B是图1的红外辐射元件的发热层的优选形状的放大截面图。

图5A是用于解释图1的红外辐射元件的发热层的优选形状的图。

图5B是用于解释图1的红外辐射元件的发热层的优选形状的图。

图6为根据本发明优选实施例的红外辐射元件的示意性截面图。

图7为根据本发明优选实施例的红外辐射元件的示意性截面图。

图8为根据本发明优选实施例的红外辐射元件的示意性截面图。

图9为根据本发明优选实施例的红外辐射元件的示意性截面图。

图10为使用本发明的红外辐射元件的气敏传感器的基本配置图。

具体实施方式

在下文中将参考附图更详细地描述本发明的红外辐射元件(A)。

本发明的红外辐射元件(A)是一种通过为发热层3通电来加热发热层3而从发热层3发射红外线的红外辐射元件。在红外辐射元件(A)中，绝热层2形成于半导体衬底1沿厚度方向的表面上(即，图1中的上表面上)，该绝热层2多孔且比半导体衬底1具有充分小的热导率，发热层3形成于绝热层2上，且发热层3为薄层(平面)形式且比绝热层2具有更大的热导率和更大的电导率，并且成对的用于通电的焊盘(电极)4形成于发热层3上。半导体衬底1具有矩形平面形状，且绝热层2和发热层3也均具有矩形平面形状。成对的焊盘4由诸如金的金属材料制成，并在发热层3的两端与发热层3接触。

绝热层2和发热层3由孔隙率彼此不同的多孔硅层形成，且发热层3由孔隙率小于绝热层2的多孔硅层形成。优选地，发热层3是孔隙率为2-45％的多孔硅层(在下文中，该硅层被称为第一多孔硅层)，且绝热层2是孔隙率为45-80％且比发热层3的孔隙率大10％以上的多孔硅层(在下文中，该硅层被称为第二多孔硅层)。尤其是，优选发热层3的孔隙率大约为40％，且绝热层2的孔隙率大约为70％。通常，随着其孔隙率增大，多孔硅层的热导率和热容量变小。例如，对于通过阳极氧化热导率为168[W/(m·K)]且热容量为1.67×10⁶[J/(m³·K)]的单晶硅衬底(即，其空隙率为0％)形成的空隙率为60％的多孔硅层而言，其热导率为1[W/(m·K)]，且该多孔硅层的热容量为0.7×10⁶[J/(m³·K)]。因此，由于发热层3的孔隙率小于绝热层2的，所以发热层3的热导率和热容量大于绝热层2的。多孔硅层是作为发热层还是作为绝热层并非由多孔硅层的绝对孔隙率决定，发热层和绝热层之间的孔隙率差异对于决定它是重要的。

绝热层2和发热层3是通过在氟氢酸溶液中阳极氧化被用作半导体衬底1的单晶硅衬底的一部分而形成的。绝热层2和发热层3能够通过适当地改变阳极氧化工艺的条件(例如，电流密度和工艺时间)而连续地形成。

至于红外辐射元件(A)的尺度，例如，在形成绝热层2和发热层3之前半导体衬底1的厚度为625μm，绝热层2的厚度为50μm，发热层3的厚度为1μm，焊盘4的厚度为0.1μm。优选地，绝热层2的厚度为50μm或更大，发热层3的厚度为3μm或更小。

在如上配置的红外辐射元件(A)中，因为作为热发生器的发热层3是平面(薄层)的形式，而不像常规红外辐射元件那样为线的形式，因此能够增大红外线的发射量，且因此能够通过降低每单位面积的辐射量而延长红外辐射元件的寿命。此外，因为发热层3的整个表面都被支撑在绝热层2上，所以与线形热发生器两端都被支撑的常规结构相比，发热层3几乎不受损伤，因此能够延长红外辐射元件的寿命。再者，因为发热层3被具有高孔隙率的绝热层2所支撑，所以发热层3在接近空气的条件下被支撑，由此发热层3和环境之间的热容量差变大，红外辐射元件能够具有良好的热响应性。

在红外辐射元件(A)中，从发热层3发射的红外线的峰值波长根据发热层3的温度决定，峰值波长能够由以下方程表达：

λ＝2898/T    (方程1)

其中λ代表峰值波长，T代表发热层3的绝对温度[K]。

亦即，在该实施例中，作为发热层3的第一多孔硅层构成伪黑体，且发热层3的绝对温度和从发热层3发射的红外线的峰值波长符合维恩(Wien)位移定律。例如，当将第一多孔硅层的每个微孔的深度设定为每个微孔的内径的三倍或更大时，则能够将发热层3看作发射红外线的伪黑体，像黑体辐射一样。因此，如图2所示，通过调制从外源施加到成对的焊盘4之间的电压并改变发热层3的绝对温度T(亦即，通过改变由发热层3产生的焦耳热)，能够改变从发热层3发射的红外线的峰值波长。例如，当大约300V的电压被施加到成对焊盘4之间时，能够发射峰值波长为约3μm-4μm的红外线。

此外，当在室温下(300[K])将输入功率施加到发热层3时，发热层3的温度升高值ΔT[K]能够用以下方程表达：

ΔT＝2fe/β    (方程2)

其中f代表施加到发热层3的输入功率，e代表发热层3的发射率，β代表发热层3的热导率[W/K]。

例如，当发热层3的绝对温度T为700[K]时，从方程1可明显看出，从发热层3发射的红外线的峰值波长λ约为4μm，而从图2可以清楚看出，随着发热层3的绝对温度T升高，峰值波长λ向短波长侧移动，4μm波长的红外线的辐射能增大。因此，当形成发热层3以符合以下关系：

ΔT＝2fe/β≥400

∴β≤fe/200，

就有可能辐射出较高辐射能的4μm波长的红外线。

至于给予热发生器3的输入电压，热发生器3能够响应的交流电压的频率f[Hz](换言之，热发生器3的温度能够响应于输入电压而变化的频率)能够通过以下方程表达：

f＝a/(πQt²)    (方程3)

其中t[m]表示绝热层2的厚度，a[W/(m·K)]表示绝热层2的热导率，Q[J/(m³·K)]表示热发生器3的热容量。

因此，当形成绝热层2以符合以下关系时：

f＝a/(πQt²)≥10

∴a≥10πQt²

就有可能使频率(f)为10Hz或更高。

图3示出了用于驱动红外辐射元件(A)的驱动电路的一个例子。在该驱动电路中，跨电源21连接晶闸管Th、电感器L、电阻器R1和电阻器R2的串联电路，且跨电阻器R2连接红外辐射元件(A)。电源21包括直流电源和跨直流电源连接的电容器。驱动电路还具有控制器22，该控制器22在电源21的电容器两端的电压超过预定阈值时向晶闸管的栅极输出控制信号。当从控制器22向晶闸管输出控制信号时，晶闸管Th被开启，由此在红外辐射元件(A)的焊盘4之间施加电压，发热层3发热并发射红外线。通过适当改变控制器22的阈值，有可能改变施加到红外辐射元件(A)的电压，因此有可能控制从红外辐射元件(A)发射的红外线的峰值波长。

在优选实施例中，在发热层3中重掺杂杂质，使得发热层3的电导率变得高于半导体衬底1且电阻温度系数变为正值。通常，多孔硅层具有高电阻率，且电阻温度系数为正值，于是需要在成对的焊盘4之间施加高电压以加热多孔硅层。而且此外，因为多孔硅层的电阻随着温度升高而变低，因此流经成对的焊盘4的电流迅速增大，热可控性被劣化。因此，通过在发热层3中重掺杂杂质以便使发热层3的电导率变得高于半导体衬底1且电阻温度系数变成正值，发热层3的电阻随着温度升高而增大，流到发热层3的电流值减小，由此变得易于控制发热层3的温度。具体来讲，例如，在形成第一多孔硅层和第二多孔硅层之后，通过离子注入将杂质离子注入第一多孔硅层中来进行退火处理。通过这样就能够形成具有低电阻率和类似金属的性质的重掺杂加热层，该性质即具有比半导体衬底1高的电导率且具有正的电阻温度系数的性质。退火处理可以在形成第一多孔硅层和第二多孔硅层之前通过向第一多孔硅层的计划部分中注入杂质离子而进行。或者，如果发热层3的电阻温度系数是正的，优选利用恒流电源作为电源在焊盘4之间流过电流。在这种情况下，尽管发热层3的电阻随着发热层3温度的升高而减小，但是热可控性得以改善，因为焊盘4之间的电压也减小了。

还优选的是通过蚀刻等在发热层3的表面中形成例如图4A和4B所示的许多凸起和凹陷。在这种情况下，发热层3的表面积增大，由此有可能增加从发热层3发射的红外线辐射的量。

还优选的是，形成红外辐射元件使得每个微孔的深度变成峰值波长λ的1/4，其中微孔是通过阳极氧化由硅衬底形成的半导体衬底1的一部分而获得的。例如，如图5A和5B所示，使用包括KOH等的碱性溶液蚀刻刚刚阳极氧化之后且其中多孔结构未被暴露的多孔硅层3’的表面(亦即该表面的孔隙率小)，使得每个微孔的深度H成为λ/4。在这种情况下，能够通过光波效应提高红外线辐射的量。

如图6所示，还优选的是在发热层3的表面上堆叠多个层5，用于限制发射到外部的红外线的波段。在这种情况下，该多个层5仅能够透射特定波段的红外线，且能够限制特定波段之外的波长的红外线辐射到外部。

如图7所示，还优选的是，在半导体衬底1的下表面上堆叠反射涂层6，其包括多层并向发热层3一侧反射从发热层3发射的红外线。更优选地，在半导体衬底1中形成中空部分1b。中空部分1b中的介质为空气。在这种情况下，如图7中的箭头所示，从发热层3向半导体衬底1一侧发射的红外线被反射涂层6反射向发热层3一侧，由此能够增大从发热层3的表面发射的红外线辐射的量。反射涂层6不局限于多层，而是可以由反射红外线的金属膜形成。

如图8所示，还优选的是，热导率比半导体衬底小的绝热构件7提供于半导体衬底1的下表面上，且绝热构件7通过用于芯片结合的粘合剂被固定到基底构件8。如果通过芯片结合将红外辐射元件(A)固定到诸如罐封装和引线框架的金属基体的基底构件，发热层3中产生的一些热可能会通过绝热层2、半导体衬底1和基底构件散发到绝热层2的一定厚度。这种散热可能会在加热层3通电时导致响应速度劣化。因此，通过提供绝热构件7，能够抑制从半导体衬底1的相对表面散热，因此能够提高响应速度。绝热构件7可以是绝缘玻璃衬底，或者通过例如阳极氧化半导体衬底1的相对表面的一部分而形成的多孔硅层(多孔半导体层)。

如图9所示，发热层3可以经由电导率小于绝热层2的绝缘层9形成于绝热层2上。通过提供绝缘层9，能够更多地抑制在为发热层3通电时流经半导体衬底1的漏电流，由此能够提高响应速度并降低功耗。作为绝缘层9的材料，如果将硅衬底用作半导体衬底1，则可以采用SiO₂、Si₃N₄等。

图10示出了以红外辐射元件(A)作为红外辐射源的气敏传感器。该气敏传感器包括：填充有气体的外壳13；红外辐射源11，其具有红外辐射元件(A)用于将红外线发射到填充有气体的外壳13中；光接收元件12，用于接收穿过填充有气体的外壳13的红外线；两个反射镜14和15，它们彼此相对地放在填充有气体的外壳13中，用以反射红外线，使得光接收元件12能够接收从红外辐射源11发射到填充有气体的外壳13中的红外线；控制电路(未示出)，用于控制红外辐射源11的输出(辐射量、辐射时间等)，以及用于基于光接收元件12的输出计算气体浓度；以及显示器(未示出)，用于显示由控制电路计算出的气体浓度。该气敏传感器通过测量吸收波长的红外线的吸收率来测量目标气体的浓度，其中吸收波长由目标气体的分子结构决定。

因为该气敏传感器装备了红外辐射元件(A)作为红外辐射源11，所以有可能延长整个传感器的寿命。此外，因为红外辐射元件(A)很灵敏，在预定空间中辐射量达到预定量所用的时间得以缩短，且光接收元件12能够输出对应于浓度的精确信号。如果控制电路装备有波长调节器用于改变施加到发热层3的电压来改变从发热层3发射的红外线波长，就能够测量多种气体的浓度。

虽然在以上解释中发热层3是基于多孔硅形成的，但是发热层3不局限于此。例如，从改善耐热性和机械强度以及降低电阻的角度考虑，可以由通过掺杂而具有导电性的碳层来形成发热层3。作为碳层，可以采用包括无定形碳、石墨、类石墨碳、金刚石和类金刚石碳的多种碳层。尤其是，在采用石墨或类石墨碳时，与采用无定形碳、金刚石和类金刚石碳的情形相比，有可能减小碳层的电阻。

或者，从改善机械强度和降低电阻的角度考虑，可以由通过掺杂而具有导电性的非晶硅层形成发热层3。优选地，非晶硅层在其表面侧比在绝热层2一侧上具有更高的杂质掺杂浓度。在这种情况下，流经发热层3的电流变得易于在发热层3的表面侧上流动，从而与整个非晶硅层均匀掺杂的情形相比发热层3的有效厚度变薄且能够提高响应性。作为非晶硅层的替代，可以采用由除Si之外的半导体材料制成的非晶半导体层。

虽然用作半导体衬底1的硅衬底的导电类型可以是P型或N型，但是优选使用P型硅衬底作为半导体衬底1，因为在通过阳极氧化制作多孔结构时P型硅衬底易于具有大的孔隙率。可以根据半导体衬底1的导电类型以及电导率适当地决定阳极氧化半导体衬底1一部分时的电流密度。

半导体衬底1的材料不局限于Si，还可以是另一种能够通过阳极氧化而变成多孔的半导体材料，例如Ge、SiC、GaP、GaAs和InP。

Claims (13)

1.一种红外辐射元件，包括：

半导体衬底；

形成于所述半导体衬底的表面上的多孔绝热层，所述绝热层具有比所述半导体衬底小的热导率；

形成于所述绝热层上并通过通电而发射红外线的发热层，所述发热层具有比所述绝热层大的热导率和电导率。

2.如权利要求1所述的红外辐射元件，其中

所述半导体衬底为硅衬底，

所述绝热层和所述发热层均为多孔硅层，

所述发热层具有比所述绝热层小的孔隙率。

3.如权利要求2所述的红外辐射元件，其中

所述发热层的孔隙率为2-45％，

所述绝热层的孔隙率为40-80％且比所述发热层的孔隙率大10％以上。

4.如权利要求2所述的红外辐射元件，其中

所述发热层掺有杂质，使得电导率变得高于所述硅衬底的，且其电阻温度系数变为正值。

5.如权利要求1所述的红外辐射元件，其中

所述发热层由具有导电性的碳层形成。

6.如权利要求1所述的红外辐射元件，其中

所述发热层由通过掺杂而具有导电性的非晶硅层形成。

7.如权利要求6所述的红外辐射元件，其中

所述非晶硅层在表面侧上具有比绝热层侧上更高的掺杂浓度。

8.如权利要求1所述的红外辐射元件，其中

在所述发热层的表面中形成许多凸起和凹陷。

9.如权利要求1所述的红外辐射元件，其中

多个层堆叠在所述发热层的表面上，用于限制发射到外部的红外线的波段。

10.如权利要求1所述的红外辐射元件，其中

反射涂层堆叠在所述半导体衬底的相对表面上，

所述反射涂层将从所述发热层向半导体衬底侧发射的红外线反射到发热层侧。

11.如权利要求1所述的红外辐射元件，其中

在所述半导体衬底的相对表面上提供有热导率小于所述半导体衬底的绝热构件。

12.如权利要求1所述的红外辐射元件，其中

所述发热层经由电导率小于所述绝热层的绝缘层而形成于所述绝热层上。

13.一种气敏传感器，包括：

红外辐射源，用于在预定空间中发射红外线；

光接收装置，用于接收所述红外线；

控制装置，利用目标气体的吸收基于所述光接收装置的输出来判断有无目标气体；

其中

所述红外辐射源为如权利要求1所述的红外辐射元件。

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