CN105529377B - 光学式气体感测装置及其感测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光学式气体感测装置，包含具有第一表面及第二表面的基板、位于基板的第一表面上的反射层、位于基板的第一表面上且邻接反射层的复数个电极垫、藉由复数个电极垫连接基板的感测层、位于感测层上的吸收层、位于感测层上且邻接吸收层的第一电极层、以及位于基板的第二表面上的第二电极层。
Description
技术领域
本发明是涉及一种光学式气体感测装置及其感测系统，特别是涉及一种红外线气体感测装置及其感测系统。
背景技术
已知非色散红外线(Non-dispersive Infrared, NDIR)技术通常被视为测量气体浓度的最佳方法之一，其依照比尔定律(Beer’s Law)利用气体在红外线的吸收波段的特性来测量红外线通过待测气体前后的强度变化，进而藉由红外线的强度变化得到待测气体的浓度。
一般而言，非色散红外线技术中所使用的红外线传感器是属于热能式红外线传感器(如微热辐射传感器(Microbolometer))。当微热辐射传感器吸收红外线的辐射能后，会使得微热辐射传感器的温度产生变化而改变其电阻值，接着将电阻值转换成电压或电流的形式输出后，即可计算出待测气体的浓度。其中，微热辐射传感器的制造方法主要可分成面型微加工 (Surface Micromachining)技术及体型微加工(Bulk Micromachining)技术。这两种结构均会使传感器悬浮在空中以减少上层传感器与下层基板之间的接触，并且降低直接热传导所造成的能量损失。
然而，已知面型微加工技术的上下层电极皆设置于基板的同一侧或同一表面，使得当施加电压于上下层电极时，上层的传感器容易吸附或接触下层的下电极而使得热导值增加，进而令微热辐射传感器的整体响应度(Responsivity)下降。
发明内容
有鉴于上述已知技艺的问题，本发明的目的就是提供一种光学式气体感测装置及其感测系统，以提高光学式气体感测装置的响应度及波长调谐表现。
根据本发明的一个目的，提供一种光学式气体感测装置，包含：基板，具有第一表面及第二表面；反射层，位于基板的第一表面上；复数个电极垫，位于基板的第一表面上且邻接反射层；感测层，藉由复数个电极垫连接基板，以令感测层与基板的反射层之间形成间隙；吸收层，位于相对于间隙上部的感测层上；第一电极层，位于感测层上且邻接吸收层；以及第二电极层，位于基板的第二表面上。
前述的感测层的材料可选用例如锗(Ge)或其他高电阻温度系数(TemperatureCoefficient of Resistance，TCR)的热敏材料。
前述的吸收层的材料可选用氮化硅。
前述的第一电极层更包含第一金属层及第二金属层，其中第一金属层及第二金属层的材料可分别为金(Au)及铬(Cr)。
前述的第二电极层更包含第三金属层及第四金属层，其中第三金属层及第四金属层的材料可分别为铝(Al)及金(Au)。
前述的复数个电极垫的材料可选用氮化硅。
前述的基板的材料可选用硅或其他半导体材料。
根据本发明的另一目的，提供一种光学式气体感测系统，包含：气室，具有提供气体流入的气体入口及提供气体流出的气体出口；光源，位于气室的一端，用以提供光线射入气室；光学式气体感测装置，位于气室的另一端，用以接收通过气室的光线，光学式气体感测装置依据所接收的光线的强度而改变光学式气体感测装置的电阻值，其中光学式气体感测装置包含：基板，具有第一表面及第二表面；复数个电极垫，位于基板的第一表面上；反射层，位于基板的第一表面上且邻接复数个电极垫；感测层，藉由复数个电极垫连接基板，以令感测层与基板的反射层之间形成间隙；吸收层，位于相对于间隙上部的感测层上；第一电极层，位于感测层上且邻接吸收层；以及第二电极层，位于基板的第二表面上；感测电路，电性连接光学式气体感测装置，以依据光学式气体感测装置的电阻值输出电压值或电流值，进而依据电压值或电流值得到气体的浓度。
承上所述，依本发明的光学式气体感测装置及其感测系统，其可具有一或多个下述优点：
(1) 本发明的光学式气体感测装置将第二电极设置于基板的第二表面，可令感测层不会吸附或接触第二电极，而使得施加电压所造成的间隙大小的改变不仅可减少能量损失以提高响应度，更可有效地令光学式气体感测装置的吸收波长具有调谐效果。
(2) 本发明的光学式气体感测装置的上层传感器使用锗作为感测层，由于其具有高电阻温度系数及对温度的灵敏度，因此相对于硅材料而言，更适合用于室温下。
(3) 本发明的光学式气体感测装置使用氮化硅作为红外线吸收层以达到高吸收率，因此可提供稳定的热源给锗感测层，进而提高光学式气体感测装置的灵敏度。
兹为使 贵审查委员对本发明的技术特征及所达到的功效有更进一步的了解与认识，谨佐以较佳的实施例及配合详细的说明如后。
附图说明
图1为本发明的光学式气体感测装置的较佳实施例的立体示意图；
图2为图1的光学式气体感测装置沿着A-A’剖面线剖开基板10、第二电极层70及反射层30的侧视图；
图3为图1的光学式气体感测装置的俯视图；
图4为本发明的光学式气体感测系统的较佳实施例的示意图。
具体实施方式
以下将参照相关图式，说明依本发明的光学式气体感测装置及其感测系统的较佳实施例，为使便于理解，下述实施例中的相同组件以相同的符号标示来说明。
请参阅图1-3，图1为本发明的光学式气体感测装置的较佳实施例的立体示意图。图2为图1的光学式气体感测装置沿着A-A’剖面线剖开基板10、第二电极层70及反射层30的侧视图。图3为图1的光学式气体感测装置的俯视图。
本发明的光学式气体感测装置100至少包含基板10、复数个电极垫20、反射层30、感测层40、吸收层50、第一电极层60及第二电极层70。
基板10具有第一表面11及第二表面12，且分别位于基板10的上下两侧。其中，基板10的材料可选用例如硅(Si)或其他半导体材料。
反射层30可利用例如物理气相沉积(physical vapor deposition, PVD)法或化学气相沉积(chemical vapor deposition, CVD)法形成于基板10的第一表面11上。其中，反射层30的材料可选用二氧化硅(SiO2)。
接着，可利用微影及蚀刻制程定义出复数个电极垫20的图案，并且利用物理气相沉积法或化学气相沉积法形成邻接反射层30的复数个电极垫20于基板10的第一表面11上。其中，电极垫20的材料可选用氮化硅(Si3N4)，且厚度大约为1.5μm。
感测层40利用面型微加工(Surface Micromachining)技术所形成，感测层40藉由复数个电极垫20连接基板10，以令感测层40与基板10的反射层30之间形成间隙41。其中，此间隙41可为法布立-培若(Fabry-Perot)共振腔结构，且间隙41可由空气或其他透光材料所构成，而间隙41上下两侧的感测层40及反射层30相互平行。其中，感测层40的材料可选用锗(Ge)或其他高电阻温度系数(Temperature Coefficient of Resistance，TCR)的热敏材料。
吸收层50利用物理气相沉积法或化学气相沉积法形成于相对于间隙41的感测层40上。其中，吸收层50的材料可选用如氮化硅(Si3N4)，且厚度大约为0.5μm。
第一电极层60位于感测层40上且邻接吸收层50，藉以形成光学式气体感测装置100的上层电极。其中，第一电极层60更包含第一金属层61及第二金属层62，且第一金属层61及第二金属层62的材料可分别为金(Au)及铬(Cr)，而第一金属层61及第二金属层62的厚度则大约为360nm及5nm。
第二电极层70位于基板10的第二表面12上，藉以形成光学式气体感测装置100的下层电极，使得第一电极层60与第二电极层70分别位于基板10的不同侧或不同表面。其中，第二电极层70更包含第三金属层71及第四金属层72，且第三金属层71及第四金属层72的材料可分别为铝(Al)及金(Au)，而第三金属层71及第四金属层72的厚度则大约皆为0.1μm。
因此，当施加电压于光学式气体感测装置100的第一电极层60与第二电极层70时，由于第二电极层70设置于基板10的第二表面12，因此会使得间隙41上下两侧的感测层40与反射层30之间产生静电力减少，使得感测层40不容易吸附或接触反射层以降低直接热传导所造成的能量损失。如此一来，不仅可提高光学式气体感测装置100的响应度，更可有效地藉由施加电压来改变间隙41的大小以改变共振现象，使得吸收波长具有调谐效果。
此外，本发明使用锗作为此光学式气体感测装置100的感测层40，并且配合氮化硅的吸收层50，可有效地提高红外线的吸收率，进而提高光学式气体感测装置100的灵敏度。
请参阅图4，图4为本发明的光学式气体感测系统的较佳实施例的示意图。本发明的光学式气体感测系统至少包含光学式气体感测装置100、气室200、光源300及感测电路400。其中，光学式气体感测装置100包含如图1-3所绘示的结构，故于此不再赘述。
气室200具有提供气体流入的气体入口201及提供气体流出的气体出口202；光源300位于气室200的一端，用以提供光线射入气室200。其中，光源300为红外线光源；光学式气体感测装置100位于气室200的另一端，用以接收通过气室的光线。其中，此光学式气体感测装置100依据所接收的光线的强度而改变光学式气体感测装置100的电阻值；以及感测电路400电性连接光学式气体感测装置100，以依据光学式气体感测装置100的电阻值输出电压值，进而依据电压值得到气体的浓度。
依照比尔定律(Beer’s Law)可得知，光源300所发出的红外线在通过气室200中的气体后的强度I = I0e-KCl。其中，I0为红外线通过气体前的强度；K为气体在红外线波段的吸收系数；C为气体的浓度；l为气室200的长度。
以一氧化碳为例，当气室200通入特定浓度的一氧化碳气体时，一氧化碳会吸收光源300所发出的波长为4.7μm的红外线，使得光学式气体感测装置100所接收到的红外线的强度减弱。而红外线的强度的减弱会令光学式气体感测装置100产生温度变化，进而改变其电阻值。感测电路400接着将所读取到光学式气体感测装置100的电阻值转换成电压或电流的形式输出，进而从红外线通过气体前后的电压值或电流值的变化来准确地测得气体的浓度。
因此，利用本发明的光学式气体感测装置100所形成的光学式气体感测系统不仅可减少能量损失以提高响应度，更可有效地令吸收波长具有调谐效果，实具产业利用价值。
以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于后附的权利要求书保护范围中。
Claims (10)
1.一种光学式气体感测装置，其特征在于，包含：
基板，具有第一表面及第二表面；
反射层，位于所述基板的所述第一表面上；
复数个电极垫，位于所述基板的所述第一表面上且邻接所述反射层；
感测层，藉由所述复数个电极垫连接所述基板，以令所述感测层与所述基板的所述反射层之间形成间隙；
吸收层，位于相对于所述间隙上部的所述感测层上；
第一电极层，位于所述感测层上且邻接所述吸收层；以及
第二电极层，位于所述基板的所述第二表面上。
2.如权利要求1所述的光学式气体感测装置，其特征在于，所述感测层的材料为高电阻温度系数(Temperature Coefficient of Resistance，TCR)的热敏材料。
3.如权利要求1所述的光学式气体感测装置，其特征在于，所述吸收层的材料为氮化硅。
4.如权利要求1所述的光学式气体感测装置，其特征在于，所述第一电极层更包含第一金属层及第二金属层。
5.如权利要求4所述的光学式气体感测装置，其特征在于，所述第一金属层及所述第二金属层的材料分别为金(Au)及铬(Cr)。
6.如权利要求1所述的光学式气体感测装置，其特征在于，所述第二电极层更包含第三金属层及第四金属层。
7.如权利要求6所述的光学式气体感测装置，其特征在于，所述第三金属层及所述第四金属层的材料分别为铝(Al)及金(Au)。
8.如权利要求1所述的光学式气体感测装置，其特征在于，所述复数个电极垫的材料为氮化硅。
9.如权利要求1所述的光学式气体感测装置，其特征在于，所述基板的材料为硅或其他半导体材料。
10.一种光学式气体感测系统，其特征在于，包含：
气室，具有提供气体流入的气体入口及提供所述气体流出的气体出口；
光源，位于所述气室的一端，用以提供光线射入所述气室；
光学式气体感测装置，位于所述气室的另一端，用以接收通过所述气室的所述光线，所述光学式气体感测装置依据所接收的所述光线的强度而改变所述光学式气体感测装置的电阻值，其特征在于，所述光学式气体感测装置包含：
基板，具有第一表面及第二表面；
反射层，位于所述基板的所述第一表面上；
复数个电极垫，位于所述基板的所述第一表面上且邻接所述反射层；
感测层，藉由所述复数个电极垫连接所述基板，以令所述感测层与所述基板的所述反射层之间形成间隙；
吸收层，位于相对于所述间隙上部的所述感测层上；
第一电极层，位于所述感测层上且邻接所述吸收层；以及
第二电极层，位于所述基板的所述第二表面上；以及
感测电路，电性连接所述光学式气体感测装置，以依据所述光学式气体感测装置的所述电阻值输出电压值或电流值，进而依据所述电压值或所述电流值得到所述气体的浓度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170711 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |