CN105181621A

CN105181621A - 一种全集成红外气体传感器

Info

Publication number: CN105181621A
Application number: CN201510528726.7A
Authority: CN
Inventors: 吴传贵; 吴勤勤; 帅垚; 罗文博; 潘忻强; 孙翔宇; 白晓园
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2015-08-26
Filing date: 2015-08-26
Publication date: 2015-12-23

Abstract

本发明属于气体传感器技术领域，提出了一种全集成红外气体传感器，由微型气室与集成模块键合构成，其中，集成模块包括硅衬底以及硅衬底上的红外光源、红外探测器和信号处理电路；微型气室由上、下硅片键合构成，所述上硅片开设气孔，所述下硅片开设V型微槽、与上硅片及其气孔组合形成光腔，V型微槽两端开设红外光源窗口和红外敏感元窗口；所述红外光源、红外探测器分别与红外光源窗口、红外敏感元窗口对应设置。本发明微型气室采用上、下硅片键合的结构设计，有效减小气室体积；且蛇形的V型微槽能够增加光程长度、提高测量精度；即本发明提供全集成红外气体传感器具有体积小、测量精度高、制备成本低的优点。

Description

一种全集成红外气体传感器

技术领域

本发明属于气体传感器技术领域，涉及红外气体传感器，具体为一种全集成红外传感器。

背景技术

红外气体传感器有着广泛的用途，例如矿井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。红外气体传感器的基本原理是以朗博-比尔定理和红外吸收光谱为基础，朗博-比尔定理阐述：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，其公式定义为A＝K*L*C，A为气体的吸光度，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。由公式可知，当被测气体确定时，且被测气体浓度确定，则增加光程长度，可增加被测气体对光的吸收；且当已知被测气体种类，通过探测在固定光程的情况下红外光的吸收情况可以得到气体浓度。红外吸收光谱的基本原理是组成物质的化学键或官能团的原子处于不断振动状态，其振动频率与红外光的振动频率相当，所以，当红外光照射物质分子时，分子中的化学键或官能团可发生振动吸收，不同的化学键或官能团吸收不同频率的红外光；故不同物质会使红外光在不同频段产生衰减，从而可以获得分子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，我们可以制作出具有探测气体浓度和气体种类功能的红外气体传感器。

红外传感器的基本部件主要有红外光源T1、气室T2、滤光片T4(检测特定气体浓度时需加，检测气体种类时不加)、红外敏感元；红外光源在斩波信号T6的调制、驱动下，发出脉冲红外光，同时，被测气体通过设置在气室上的通气孔进入气室；被调制红外光在气室中传播且穿透被测气体，与此同时，特定波段的红外光将被被测气体吸收从而产生衰减，衰减后的红外光被红外敏感元探测后，产生比阀值(不衰减时的峰峰值)小的信号；通过与阀值的比较，且通过特定公式即可计算出被测气体的浓度；同时通过判断红外光在何波段产生衰减可判断被测气体的种类；这便是红外传感器的基本工作原理。由朗博-比尔定理和红外传感器的基本原理可知，当增加光程长度，气体对红外光的吸收增加，从而使被红外敏感源吸收的红外光衰减的更多，使得敏感源产生的信号峰峰值和阀值的差增加，从而使数据精度提高。

为了提高红外传感器的精度，需要足够长的气室以增加光程长度。而制作气室的传统材料主要有塑料、玻璃、金属，这些材料制作气室体积大，且配合后端电路时，后端电路需要制作在PCB板上，这不利于与目前主流的硅集成工艺兼容，使红外传感器无法向小型化、高集成度的方向发展，同时也使得传感器不能很好的应用到其他小型系统上。大体积的传感器无疑会增加器件成本且造成对有限材料资源的浪费。

发明内容

本发明的目的在于针对现有红外气体传感器存在的问题提出了一种全集成红外气体传感器，它具有体积小、测量精度高、成本低等优点。本发明的技术方案为：

一种全集成红外气体传感器，由微型气室与集成模块键合构成，其中，集成模块包括硅衬底以及硅衬底上的红外光源、红外探测器和信号处理电路；微型气室由上、下硅片键合构成，所述上硅片开设气孔，所述下硅片开设V型微槽、与上硅片及其气孔组合形成光腔，V型微槽两端开设红外光源窗口和红外敏感元窗口；所述红外光源、红外探测器分别与红外光源窗口、红外敏感元窗口对应设置。

优选的，所述V型微槽呈蛇形，气孔与V型微槽对应开设，形成光腔通过气孔与被测气体相通。

所述信号处理电路包括红外信号放大模块、AD转换模块、中央处理器、数字信号处理(DSP)模块、红外光源驱动模块、铝互联线、电源管理模块、金丝键合焊盘，传感器通过键合焊盘上键合的金丝与外部系统连接，所述红外光源由红外光源驱动电路驱动，所述红外探测器的输出信号经过红外探测器信号放大电路传输至AD转换模块，转换得到数字信号传输至数字信号处理(DSP)模块进行信号处理，电源管理模块为各模块供电，铝制互联线用于各模块之间形成电气连接，中央处理器控制各模块、以及传感器与外部系统通信。

所述微型气室的上、下硅片均采用单晶硅基片，所述气孔和V型微槽采用各向异性腐蚀工艺制备。所述的单晶硅的各向异性腐蚀是由于具有金刚石结构的硅单晶体不同晶面上的原子排列密度不同而造成的，各晶面的腐蚀速率取决于晶面原子晶格密度和有效键密度，对于硅单晶(100)晶面的原子排列密度最小，(111)晶面的原子排列密度最大，因此，腐蚀时(100)面腐蚀速度最快，(111)面腐蚀速度最慢；由于各面腐蚀速度的差异，最终形成一个切面为V型或梯形(腐蚀时间)凹槽，且(111)面和(100)面夹角为35.3度，且(111)面非常光滑。

本发明中，所述红外光源能够发射与被测气体特征红外吸收波长相对应的红外光；所述红外探测器能够测量与被测气体特征红外吸收波长相对应的红外光的强度；所述微气室由两片硅衬底键合而成，下硅片上的V型微槽与上硅片及其上的气孔组合形成光腔，光腔通过气孔与外界气氛相通，即被测气体通过气孔扩散到光腔；红外光源发射的红外光通过红外光源窗口进入光腔经过多次反射后，通过红外敏感元窗口照射到红外探测器，红外探测器通过测量红外波长、强度的变化情况，得到被测气体的种类及浓度。

本发明提供一种全集成红外气体传感器，包括微型气室与集成模块。微型气室采用上、下硅片键合的结构设计，有效减小气室体积；且蛇形的V型微槽能够增加光程长度、提高测量精度，与微槽对应设置的气孔能够缩短气体扩散长度、提高响应速度。集成模块采用集成技术将红外光源、红外探测器与信号处理电路集成在同一硅衬底上，进一步减小了系统体积；且能够有效缩短各子电路的互连线，能降低噪声，提高系统测量精度。另外，本发明微型气室采用半导体微细加工技术制备，如光刻、湿法腐蚀、镀膜和键合等；微型气室与集成模块通过键合层键合，有效提高装配精度；本发明传感器能够实现大批量、自动生产，能提高生产效率，降低成本。

综上所述，本发明全集成红外气体传感器具有体积小、测量精度高、制备成本低的优点，有效拓展红外气体测量技术的应用范围，适用于更多的电子设备，如手机、智能手表、多功能手环等便携式电子设备，如室内空气质量分析仪、车载空气质量分析仪、空调空气质量分析仪等低成本消费类电子设备，如呼吸诊疗仪、微型气相红外光谱仪等新型电子设备。

附图说明

图1是全集成红外气体传感器结构示意图。

图2是全集成红外气体传感器装配图，其中，A为顶视图，B为底视图。

图3是集成模块的信号处理电路、红外敏感源、红外光源示意图。

图4是微型气室的下硅片的结构示意图，其中，C为底视图，D为顶视图。

图5是微型气室的下硅片的表面图形示意图。

图6是微型气室的上硅片的结构示意图，其中，E为底视图，F为顶视图。

图7是微型气室的上硅片的表面图形示意图。

图8是微型气室装配图。

图9是集成工艺完成的晶圆图及激光切割示意图。

图10是光线在气室中传播示意图。

附图标记：微型气室1；V型微槽101、气孔102、气孔外孔102a、气孔内孔102b、红外光源窗口103、红外敏感元窗口104、抗氧化保护层105、金属锡薄膜106、金属金薄膜107、金属铬薄膜108、SiO₂薄膜109、SiO₂薄膜110、金属铬薄膜111、金属金薄膜112、SiO₂薄膜113、SiO₂薄膜114、金属铬薄膜115、金属金薄膜116；集成模块2；红外信号放大模块201、AD转换模块202、中央处理器203、数字信号处理(DSP)模块204、红外光源驱动模块205、铝互联线206、电源管理模块207、金丝键合焊盘208、抗氧化层薄膜209、金属锡薄膜210、金属金薄膜211、金属铬薄膜212；红外光源3；红外敏感源4。

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2所示，由微型气室1和集成模块2键合构成，所述微型气室1是利用Si的各向异性腐蚀技术制作在(100)取向的单晶硅衬底上，利用各向异性腐蚀形成的V型微槽作为气体扩散和红外光传输的通道。

所述的单晶硅的各向异性腐蚀是由于具有金刚石结构的硅单晶体不同晶面上的原子排列密度不同而造成的，各晶面的腐蚀速率取决于晶面原子晶格密度和有效键密度，对于硅单晶(100)晶面的原子排列密度最小，(111)晶面的原子排列密度最大，因此，腐蚀时(100)面腐蚀速度最快，(111)面腐蚀速度最慢；由于各面腐蚀速度的差异，最终形成一个切面为V型或梯形(腐蚀时间)凹槽，且(111)面和(100)面夹角为35.3度，且(111)面非常光滑。且在本实施例中V型微槽内壁镀有反射率高的金Au薄膜。

所述微型气室1是由制备有气孔102的上硅片和制备有呈蛇形的V型微槽101(如图4、图5所示)、红外光源窗口103、红外敏感元窗口104的下硅片键合构成的；红外光源窗口103使得红外光源产生的红外光通过窗口进入气室中的光腔、红外敏感元窗口104使得信号处理电路上的红外敏感源通过窗口与气室中的光腔接触；上、下硅片通过金锡键合集成在一起，同时保证光路V型微槽101和气孔102b边缘对齐，V型微槽和上硅片及其气孔组合形成光腔，光腔通过气孔与外界气氛相通，即被测气体通过气孔扩散到光腔。

本实施例中，为增加光腔与被测气体的接触面积，所述气孔102是由气孔外孔102a和气孔内孔102b共同组成的，对上硅片正、反面分别采用腐蚀工艺制备得气孔外孔102a与内孔102b，故气孔外孔102a与内孔102b均为四棱台形、上底相对形成通孔，外孔102a的下底尺寸大于内孔102b下底尺寸，便于探测器更大面积的与被测气体接触，同时保证内孔与V型微槽的尺寸匹配，如图6、图7所示。

集成模块将红外光源3、红外探测器4和信号处理电路集成在同一衬底上，如图3所示，所述信号处理电路利用集成电路技术制备在硅衬底上，包括红外信号放大模块201、AD转换模块202、中央处理器203、数字信号处理(DSP)模块204、红外光源驱动模块205、铝互联线206、电源管理模块207、金丝键合焊盘208；传感器通过键合焊盘208上键合的金丝与外部系统连接，且将传感器处理的到的直接可用的数字信号传至外部系统。

所述红外光源3由红外光源驱动电路205驱动，红外探测器4的输出信号传输到红外探测器信号放大电路201，信号放大后，通过铝互联线206传至AD转换模块202，实现模拟红外信号转换为处理器可用的数字信号，中央处理器协调数字信号处理模块204，计算并处理前段传至的数字信号，计算出气体的种类及浓度，并将外系统可直接使用的数字信号通过键合焊盘208送出至外系统。所述电源管理模块207，为传感器各模块提供不同电压及电流，所述铝制互联线使各模块之间形成电气连接。

上述的微型气室和集成模块通过键合的方式集成在一起，形成微型红外气体传感器，其中，微型气室的上硅片、下硅片以及集成模块的硅衬底的表面都有相对应的键合层。

所述制备有V型微槽的硅衬底(下硅片)上共制备有8层薄膜，包括：抗氧化保护层105、金属锡薄膜106、金属金薄膜107、金属铬薄膜108、SiO₂薄膜109、SiO₂薄膜110、金属铬薄膜111、金属金薄膜112；其中所述薄膜层105、106、107、108共同构成键合层JH3，薄膜层111、112构成键合层JH2；所述SiO₂薄膜109、SiO₂薄膜110是制作V型微槽和窗口所遗留。

所述制备有气孔的硅衬底(上硅片)上共制备有4层薄膜，包括：SiO₂薄膜113、SiO₂薄膜114、金属铬薄膜115、金属金薄膜116；其中所述薄膜层115和116共同组成键合层JH4；所述SiO₂薄膜113、SiO₂薄膜114是制作气孔102a、102b所遗留。

所述制备集成模块的硅衬底上共制备有5层薄膜，包括：金属铬薄膜212、金属金薄膜211、金属锡薄膜210、抗氧化层薄膜209；其中所述薄膜209、210、211、212共同组成键合层JH1。

所述键合层JH1和键合层JH2键合在一起；键合层JH3和键合层JH4键合在一起；使得三片经过加工的Si衬底形成探测器。

本实施例中全集成红外气体探测器通过以下步骤制备得到：

1、用热氧化法在两个硅衬底的表面生长500nm厚SiO2薄膜109、110，113、114；

基于上述，两片硅衬底都是厚度为0.5mm的(100)取向的4英寸单晶硅，在4英寸晶圆上制作多个传感器，制作完成后，将其切割；

2、以光刻胶为掩膜，利用光刻和湿法腐蚀技术去除部分SiO2薄膜109、110和113、114(即图形闭合线内区域)，在带有SiO2薄膜109、110的硅衬底的两面制备V型微槽101和窗口103、104的图形，在带有SiO2薄膜113、114硅衬底上的一个面制备气孔102a的图形，另一面制备气孔102b的图形；图形窗口形成后，去除光刻胶；

基于上述，V型微槽101的图形如图5(a)所示，红外光源窗口103和红外敏感元窗口104图形如图5(b)所示；103和104的图形为正方形，边长为1000μm，V型微槽101c宽度为w1＝500μm，长度90000um，此处为了使图更加清晰，故V型微槽宽度设计较大。但随着V型微槽的宽度减小，V槽可以排列更紧密，气室的长度会大大增加；例如：当图形中w1＝10um，w2＝30um，L＝9980um，那么一个10mm*10mm的硅片能够腐刻出499条V槽，相邻V槽中心线距离20um，那么气室长度为499*9980+20*(499-1)＝4989980um＝49.8998m；

基于上述，气孔102a的图形如图7(c)所示，气孔102b的图形如图7(d)所示；由图可知气孔的图形都是正方形；且要求102b图形中正方形的边长与w1相等、设102a的图形中的正方形的边长为WL，且气孔102a的腐蚀深度为h1，气孔102b的腐蚀深度为h2，则WL＝w1-2h2tan(35.3°)+2h1tan(35.3°)；

3、用TMAH溶液腐蚀带有图形窗口的硅衬底1和硅衬底2；对于制备V型微槽和红外光源、红外敏感元的窗口的硅衬底，当V型微槽101和窗口103、104相通后，腐蚀停止；对制备气孔的硅衬底，当气孔102a和102b相通后，腐蚀停止；

4、用电镀法在V型微槽表面制备一层厚度为1μm的金膜，以便增加气室对光的反射率；然后用真空蒸镀和磁控溅射等方式对制备有V型微槽和气孔和集成模块的硅衬底制备键合层；

5、在制备有信号处理电路的硅片上制作红外光源3和红外敏感源4；

基于上述，信号处理电路由红外信号放大模块201、AD转换模块202、中央处理器203、数字信号处理(DSP)模块204、红外光源驱动模块205、铝互联线206、电源管理模块207、金丝键合焊盘208组成，如图3所示；

6、使红外光源3、红外探测器4分别与红外光源窗口104、红外探测器窗口103边缘对齐，使V型微槽101和气孔102b边缘对齐，用热压键合法使键合层JH1与键合层JH2互扩散，键合层JH3与键合层JH4扩散，形成键合层，压力为1MPa，温度为250℃；

7、在制作集成模块的硅衬底上通过Si集成工艺制作信号处理电路；信号处理电路可通过铝互联线将被测量气体种类、浓度等信号送至键合焊盘，在通过键合在焊盘上的金丝将信号送至外系统；

基于上述，信号电路制作完成后的红外，形成微型红外气体传感器，如图9所示(未切割)。

基于上述，热压键合后，三片硅衬底集成在一起，V型微槽101和制备有气孔的硅衬底及气孔102a、102b共同形成光腔；

8、用切割法将键合后的样品，分割成单独的器件；

基于上述，切割样品，形成单独器件的示意图如图1所示。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims

1.一种全集成红外气体传感器，由微型气室与集成模块键合构成，其中，集成模块包括硅衬底以及硅衬底上的红外光源、红外探测器和信号处理电路；微型气室由上、下硅片键合构成，所述上硅片开设气孔，所述下硅片开设V型微槽、与上硅片及其气孔组合形成光腔，V型微槽两端开设红外光源窗口和红外敏感元窗口；所述红外光源、红外探测器分别与红外光源窗口、红外敏感元窗口对应设置。

2.按权利要求1所述全集成红外气体传感器，其特征在于，所述V型微槽呈蛇形，气孔与V型微槽对应开设，形成光腔通过气孔与被测气体相通。

3.按权利要求1所述全集成红外气体传感器，其特征在于，所述信号处理电路包括红外信号放大模块、AD转换模块、中央处理器、数字信号处理(DSP)模块、红外光源驱动模块、铝互联线、电源管理模块、金丝键合焊盘，传感器通过键合焊盘上键合的金丝与外部系统连接，所述红外光源由红外光源驱动电路驱动，所述红外探测器的输出信号经过红外探测器信号放大电路传输至AD转换模块，转换得到数字信号传输至数字信号处理(DSP)模块进行信号处理，电源管理模块为各模块供电，铝制互联线用于各模块之间形成电气连接，中央处理器控制各模块、以及传感器与外部系统通信。

4.按权利要求1所述全集成红外气体传感器，其特征在于，所述微型气室的上、下硅片均采用单晶硅基片，所述气孔和V型微槽采用各向异性腐蚀工艺制备。