CN101923051B - 基于阵列波导分光的红外光谱式mems气敏传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于阵列波导分光的红外光谱式MEMS气敏传感器，利用气体的红外透射谱确定气体的种类和浓度，该传感器由集成在硅衬底上的红外热光源(1)、光子晶体波导阵列分光器(2)、测量气室(3)、测量气室红外检测阵列(4)、参比气室(5)和参比气室红外检测阵列(6)构成。利用本发明，解决了现有MEMS气敏传感器工艺复杂、寿命有限的问题，具有高灵敏度探测能力，且其制作与CMOS工艺兼容，可批量生产，并通过单元阵列化检测气体浓度梯度。
Description
技术领域
本发明涉及一种气敏传感器，尤其涉及一种基于阵列波导分光的红外光谱式MEMS气敏传感器。
背景技术
及时准确地监测气体环境，社会发展的必然要求。气敏传感器在制药、医学检测、食品行业、石化、海关、煤矿等领域均有重要作用。传统的气敏传感器体积大功耗高，灵敏度低且性能一致性较差，使用不便，难于推广。基于MEMS的气敏传感器继承微电子技术的优势，体积小功耗低、性能一致性好且使用方便。
但是，基于敏感膜类的MEMS气敏传感器大多利用敏感膜与目标气体发生选择性吸附后引起敏感膜电阻电容等电参量或者振动频率等机械参量的变化来实现气体检测的。这类传感器往往存在灵敏度与寿命难以折中的问题。且所能检测的气体种类，受敏感膜材料性能的影响。对于环境荷尔蒙等物质来说，很难找到特异性强的功能材料。
光谱分析作为化学分析的终极手段，是有效解决目前气敏传感器研发领域诸多问题的一个选择，尤其是其在抗水汽干扰、选择性等方面的的长处更是敏感膜类气敏传感器无法比拟的。但是已有的光谱式气敏传感器体积大成本高，不便于广泛使用。在获得光谱时，它们大多利用光栅扫描分光，或谐振选频分光，可动结构加工困难，难以实现微型化。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有气敏传感器选择性差、灵敏度低、抗干扰能力弱、加工困难、难以小型化等问题，本发明提供了一种基于阵列波导分光的红外光谱式MEMS气敏传感器，以满足人们对于高精度气体分析的要求。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种基于阵列波导分光的红外光谱式MEMS气敏传感器，利用气体的红外透射谱确定气体的种类和浓度，该传感器由集成在硅衬底上的红外热光源1、光子晶体波导阵列分光器2、测量气室3、测量气室红外检测阵列4、参比气室5和参比气室红外检测阵列6构成；
其中，所述红外光源1发出的红外光分别穿过测量气室3和参比气室5后，进入光子晶体波导阵列分光器2的各输入端口；所述测量气室3内部的光子晶体波导阵列分光器2的出射端直对测量气室红外检测阵列4；所述参比气室5内部的光子晶体波导阵列分光器的出射端直对测量气室红外检测阵列6；所述光子晶体波导阵列分光器2由多个光子晶体波导并行排列构成，且各波导的几何结构参数不同；所述光子晶体波导阵列分光器2的不同出射端对应测量气室红外检测阵列4和参比气室红外检测阵列5的不同成像单元。
上述方案中，所述红外热光源1为集成在硅衬底上的多晶硅电阻条，该电阻条通以电流后，由于温度升高，向外辐射宽谱红外光。
上述方案中，所述光子晶体波导阵列分光器2为在硅衬底上刻蚀出的二维排布空孔结构。
上述方案中，所述光子晶体波导为周期空孔中引入的线缺陷形成，且其几何参数依照欲传导的红外光波长设计。
上述方案中，所述各光子晶体波导为均为单模波导，用于选频。
上述方案中，所述测量气室3和参比气室5为对称结构，大小相同，结构相似，位置对称，与光子晶体波导阵列入射端相接；测量气室3为开放结构，与待分析气体环境相通；参比气室5为封闭结构，内封一个大气压的标准气体，该标准气体内不含待检测的特殊成分。
上述方案中，所述测量气室红外检测阵列4和参比气室红外检测阵列6均为半导体珀尔贴效应制冷的InGaAs光电二极管线型阵列。
上述方案中，所述光源1发出的红外光穿过测量气室3后，经光子晶体波导阵列2选频后出射，不同波长的红外光在各波导出射端口对应的所述检测阵列4的不同象元上成像，并依所穿过的气室内气体的成分和浓度形成不同特征的透射谱；透射谱上吸收峰出现的位置表达了气体种类特征，而吸收峰的强度则体现了气体的浓度变化；
所述光源1发出的红外光穿过参比气室5后，经光子晶体波导阵列2选频后出射，不同波长的红外光在各波导出射端口对应的所述检测阵列6的不同象元上成像，形成参比气室的背景透射谱；
由于未与目标气体发生作用，故而参比气室的透射谱在目标气体的特征峰处的光强不会发生较大的变化；
通过比较测量气室3和参比气室5检测到的透射谱的差别，可检测到待测气体中目标气体的存在引起的光谱变化情况，包括位置和强度两个信息，经信号处理电路分析所得数据，则可获得待测气体中目标气体的种类及其浓度。
(三)有益效果
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果
(1)本发明提供的基于阵列波导分光的红外光谱式MEMS气敏传感器，利用气体的红外透射谱分析气体，克服了基于化学反应的气敏传感器中敏感材料对器件性能的影响，具有响应快速、灵敏度高、重复性和一致性好、抗干扰能力强、寿命长等特点。
(2)本发明提供的基于阵列波导分光的红外光谱式MEMS气敏传感器，采用光子晶体波导阵列实现等同色散效果，极大提高了分光能力，将光源发出的红外光按波长在空间上充分展开，使得实际测量结果与基于单色光的理论分析更为接近，传感器的线性度和精度大大提高。
(3)本发明提供的基于阵列波导分光的红外光谱式MEMS气敏传感器，针对气体的近红外光谱进行分析，并利用光电转换方式实现信号直接转换。近红外区是气体光谱的“指纹区”，同时，利用这段光谱进行分析，可避免中红外光谱分析时需要利用红外热效应进行信号转换的环节，更加快速可靠。
(4)本发明提供的基于阵列波导分光的红外光谱式MEMS气敏传感器，采取差量检测手段，有效抑制环境温度湿度等变化影响带来共模噪声，提高信噪比，测量结果更为精确。
(5)本发明提供的基于阵列波导分光的红外光谱式MEMS气敏传感器，无可动结构，工艺简单，与CMOS工艺完全兼容，利用成熟的IC技术，将信号的检测和处理分析集成在一起，并可通过制作传感器阵列来实现气体浓度的矢量分析，判断气源，符合气敏传感器小型化、阵列化、智能化的发展趋势。
附图说明
图1为本发明提供的基于阵列波导分光的红外光谱式MEMS气敏传感器平面结构示意图；
图2为本发明提供的基于阵列波导分光的红外光谱式MEMS气敏传感器光子晶体波导阵列分光器结构示意图；
图3为本发明提供的基于阵列波导分光的红外光谱式MEMS气敏传感器光子晶体波导阵列中某波长红外光所占用的一路波导结构示意图；
图4为本发明提供的基于阵列波导分光的红外光谱式MEMS气敏传感器气室内红外检测阵列中某像元的工作原理示意图。
图中，红外热光源1、光子晶体波导阵列分光器2、测量气室3、测量气室红外检测阵列4、参比气室5、参比气室红外检测阵列6、光子晶体波导201。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合分析环境气体中三氯甲烷(氯仿)蒸汽为具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1为本发明提供的基于阵列波导分光的红外光谱式MEMS气敏传感器平面结构示意图。该传感器利用气体的红外透射谱进行气体检测，通过透射谱的特征峰判别气体种类，并通过测量特征波长的红外光的吸光度确定气体含量。有效解决现有气敏传感器灵敏度低、寿命有限、无矢量探测能力的问题，并与CMOS工艺兼容，可批量生产，便于降低成本，广泛使用。
该传感器主要由红外热光源1、光子晶体波导阵列分光器2、测量气室3、测量气室红外检测阵列4、参比气室5和参比气室红外检测阵列6构成。红外热光源1为集成在硅片上的热辐射光源，该光源由空槽上方的桥式单晶硅电阻条构成。该电阻通以电流后温度升高，并向外辐射红外能量。控制电阻的功率，可得到稳定宽谱的红外辐射。
如图2所示，光子晶体波导阵列分光器2，由并行排布的一系列光子晶体波导构成，且各路波导均为单模波导。
如图3所示，波导采用在硅衬底上刻蚀的二维周期孔洞中引入线缺陷的方法制作，气孔的直径和气孔的间距按照其与导模的波长的关系精确加工。
光源发出的红外光进入测量气室3后，与测量气室内的待测气体相互作用，穿过测量气室3进入光子晶体波导阵列的各入射端。经气室内的波导阵列分光器选频后，不同波长的红外光自不同的出射端出射，并在测量气室红外检测阵列4的各成像单元上成像。
各成像单元如图4所示，为反偏的InGaAs光电二极管，照射在空间电荷区的红外光引将起光生载流子的增加：入射光强越大，产生的载流子越多，回路的反偏饱和电流越大。为使光电二极管有更好的相应特性，需要对其进行制冷至-20℃。通过各像元输出的电信号可得到红外光经过气室后形成的透射谱。
类似地，光源发出的红外光进入参比气室5后，在测量气室红外检测阵列6的各成像单元上形成标准气体的透射谱。
测量气室3和参比气室5大小相同、结构对称，区别在于测量气室3是开放结构，与待测环境相通，其内部的气体成分与环境相同，而参比气室5则为封闭结构，其内部的气体为不含三氯甲烷的标准气体。
将两组光谱进行对比，可发现与三氯甲烷的特征峰相对应的波长为2374.7nm、1861.9nm、1695.8nm、1412.4nm、1152.9nm的红外光光强发生了明显的衰减，且三氯甲烷浓度越高，上述特征波长红外光衰减量越大。检测衰减的强度，便知测量气室内三氯甲烷的浓度。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于阵列波导分光的红外光谱式MEMS气敏传感器，利用气体的红外透射谱确定气体的种类和浓度，其特征在于，该传感器由集成在硅衬底上的红外热光源(1)、光子晶体波导阵列分光器(2)、测量气室(3)、测量气室红外检测阵列(4)、参比气室(5)和参比气室红外检测阵列(6)构成；
其中，所述红外光源(1)发出的红外光分别穿过测量气室(3)和参比气室(5)后，进入光子晶体波导阵列分光器(2)的各输入端口；所述测量气室(3)内部的光子晶体波导阵列分光器(2)的出射端直对测量气室红外检测阵列(4)；所述参比气室(5)内部的光子晶体波导阵列分光器的出射端直对测量气室红外检测阵列(6)；所述光子晶体波导阵列分光器(2)由多个光子晶体波导并行排列构成，且各波导的几何结构参数不同；所述光子晶体波导阵列分光器(2)的不同出射端对应测量气室红外检测阵列(4)和参比气室红外检测阵列(5)的不同成像单元。
2.根据权利要求1所述的基于阵列波导分光的红外光谱式MEMS气敏传感器，其特征在于，所述红外热光源(1)为集成在硅衬底上的多晶硅电阻条，该电阻条通以电流后，由于温度升高，向外辐射宽谱红外光。
3.根据权利要求1所述的基于阵列波导分光的红外光谱式MEMS气敏传感器，其特征在于，所述光子晶体波导阵列分光器(2)为在硅衬底上刻蚀出的二维排布空孔结构。
4.根据权利要求1所述的基于阵列波导分光的红外光谱式MEMS气敏传感器，其特征在于，所述光子晶体波导为周期空孔中引入的线缺陷形成，且其几何参数依照欲传导的红外光波长设计。
5.根据权利要求1所述的基于阵列波导分光的红外光谱式MEMS气敏传感器，其特征在于，所述各光子晶体波导为均为单模波导，用于选频。
6.根据权利要求1所述的基于阵列波导分光的红外光谱式MEMS气敏传感器，其特征在于，所述测量气室(3)和参比气室(5)为对称结构，大小相同，结构相似，位置对称，与光子晶体波导阵列入射端相接；测量气室(3)为开放结构，与待分析气体环境相通；参比气室(5)为封闭结构，内封一个大气压的标准气体，该标准气体内不含待检测的特殊成分。
7.根据权利要求1所述的基于阵列波导分光的红外光谱式MEMS气敏传感器，其特征在于，所述测量气室红外检测阵列(4)和参比气室红外检测阵列(6)均为半导体珀尔贴效应制冷的InGaAs光电二极管线型阵列。
8.根据权利要求1所述的基于阵列波导分光的红外光谱式MEMS气敏传感器，其特征在于，
所述光源(1)发出的红外光穿过测量气室(3)后，经光子晶体波导阵列(2)选频后出射，不同波长的红外光在各波导出射端口对应的所述检测阵列(4)的不同象元上成像，并依所穿过的气室内气体的成分和浓度形成不同特征的透射谱；透射谱上吸收峰出现的位置表达了气体种类特征，而吸收峰的强度则体现了气体的浓度变化；
所述光源(1)发出的红外光穿过参比气室(5)后，经光子晶体波导阵列(2)选频后出射，不同波长的红外光在各波导出射端口对应的所述检测阵列(6)的不同象元上成像，形成参比气室的背景透射谱；
由于未与目标气体发生作用，故而参比气室的透射谱在目标气体的特征峰处的光强不会发生较大的变化；
通过比较测量气室(3)和参比气室(5)检测到的透射谱的差别，可检测到待测气体中目标气体的存在引起的光谱变化情况，包括位置和强度两个信息，经信号处理电路分析所得数据，则可获得待测气体中目标气体的种类及其浓度。
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