CN105823749B - 一种基于mems的电容式红外气体传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于MEMS的电容式红外气体传感器及其制备方法，该传感器以阵列的形式布置，通过对比分析特定波长下红外光强度的变化来测定CO、CH4、SO2的浓度，并采用电容作为感应元件。此外，太阳辐射检测技术在监测天气气候状况、预测未来天气、农业生产、太阳能开发等都有着重要意义，大气臭氧层的损耗，照射到地面的太阳光紫外线增强，使得人们越来越关注太阳辐射的变化。本发明设计的传感器还带有一个简便系统，可以用于太阳辐射量检测。本发明的电容式红外气体传感器制作与CMOS工艺兼容，易于板上集成，传感器采用电容作为感应元件，温度漂移低、精度高。
Description
技术领域
本实用新型属于微电子机械系统（MEMS）传感器设计技术领域，具体涉及一种基于MEMS的电容式红外气体传感器。
背景技术
气体检测技术在日常生活及生产的应用范围越来越广泛，具体集中在矿井勘测、大气污染监测、化工产业监测、废水处理装置等方面。矿井勘测包括勘探到石油和煤气、运输、储存和精炼，都会产生大量易燃和有毒气体，所以气体检测常应用在勘探钻井、生产平台、煤气末站等场合。如今空气污染严重，气体检测技术能够及时准确地监测人类生存环境的空气质量指数，并提供城市空气污染情况预报；化工厂是气体探测设备最大的用户之一，在其生产过程中，会产生各式各样的易燃性和毒性气体，所以气体检测技术常被应用在工艺区、实验室等；废水处理装置在很多城市和乡镇都很常见，污水里含有有毒气体，其能够通过气体检测技术被控制。
目前气体检测技术主要依赖于气体传感器进行，气体传感器根据气敏材料及工作原理不同可大致分为半导体气体传感器、电化学气体传感器、固体电解质气体传感器、催化燃烧式气体传感器、光学气体传感器等。半导体气体传感器具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点，但是其必须在高温下工作，稳定性差、功率高；电化学气体传感器分为不需供电的原电池式和需要供电的可控电位电解式，可以检测许多有毒气体和氧气，主要优点是气体的高灵敏度以及良好的选择性，不足之处是寿命短，一般为两年。固态电解质气体传感器是介于半导体和电化学之间的一种气体传感器，其选择性和灵敏度都高于半导体，并且寿命较长，因此能够应用到很多方面，它的缺点是响应时间过长。催化燃烧式传感器属于高温气体传感器，优点是结构简单、生产制造成本低，传感器输出不受水蒸气的影响，对环境的温湿度影响不敏感，其缺点是寿命比较低，工作温度较高（内部可达700℃～800℃），在缺氧环境下检测指示值误差较大。光学式气体传感器主要以红外吸收型为主，由于不同气体对红外波吸收程度不同，通常都是通过测量红外吸收波长来检测气体浓度。
整体上讲，红外气体传感器与其他类别气体传感器相比具有使用寿命长、性价比高、稳定性好等优点，但目前市场上的红外气体传感器普遍存在温度漂移问题。环境温度变化时会引起晶体管或者感应电阻等的电学参数变化，造成静态工作点的不稳定，使电路动态参数不稳定而引起误差，甚至导致电路无法正常工作。另一方面，这些传统的传感器难以集成化、成本十分高，导致无法完全市场化。所以市场更加需要技术成熟，成本低廉，更加实用的气体传感器，基于MEMS的电容式红外气体传感器就是一种能够满足上述要求的传感器技术，其优点是体积小、功耗低、性能好、响应速度快。
实用新型内容
本实用新型针对现有技术中的不足，解决温度漂移严重、功能单一、难以集成化、成本高的问题，提供一种基于MEMS的电容式红外气体传感器。
为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
一种基于MEMS的电容式红外气体传感器，其特征在于，包括：依次连接的直流电源、敏感探头、信号调理电路以及信号处理电路；所述敏感探头包括MEMS红外光源、待测气室、参比气室、红外滤光片阵列和红外探测阵列；所述待测气室和参比气室形成左右对称结构，侧壁均设置有绝缘绝热板，顶部均与MEMS红外光源相接，底部均与红外滤光片阵列相接，其中所述待测气室设有进气孔和出气孔，用于与待测气体环境相通，所述参比气室为封闭结构，内封有一个大气压的、不含待测气体的标准气体；所述MEMS红外光源经直流电源对其通电后，向待测气室和参比气室辐射红外光，红外光分别穿过待测气室和参比气室，通过红外滤光片阵列出射，红外探测阵列对出射的红外光进行探测，将探测信号传送给信号调理电路进行调理，再经过信号处理电路输出数据。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
所述MEMS红外光源为集成在硅衬底上的多晶硅电阻条。
所述MEMS红外光源包括固定结构和旋转结构，所述固定结构固定安装在参比气室顶部，所述旋转结构通过旋转杆可旋转地安装在待测气室顶部。
所述红外探测阵列设置在红外滤光片阵列底部，红外探测阵列包括密封气腔、充气阀、掺硼电极和感应电容，掺硼电极和红外滤光片阵列之间形成多个密封气腔，密封气腔由充气阀控制气体的进出，从红外滤光片阵列出射的红外光进入密封气腔，被密封气腔中的气体吸收，受热使得密封气腔膨胀，从而挤压掺硼电极发生形变，使得与掺硼电极串联的感应电容大小发生变化。
所述红外滤光片阵列由镶嵌在隔光绝热板中的滤光片阵列构成，所述滤光片包括CO滤光片、CH4滤光片和SO2滤光片，分别用于透过在CO、CH4和SO2气体的红外吸收峰波段的光，所述CO滤光片、CH4滤光片和SO2滤光片分别对应于不同的密封气腔，红外光穿过待测气室和参比气室后分别从CO滤光片、CH4滤光片和SO2滤光片出射，进入相对应的各密封气腔。
所述信号调理电路包括依次连接的信号放大器、信号滤波器和功率放大器，还包括用于对干扰信号进行隔离处理的光耦隔离器。
所述信号处理电路包括ADC转换器、信号隔离器、单片机、LDO线性电源和USB，ADC转换器将经过信号调理电路调理的信号转换为数字信号，经过信号隔离器输入单片机，并通过USB接口输出最终数据，所述LDO线性电源用于给信号隔离器和单片机供电。
所述信号隔离器包括光耦隔离器和磁耦隔离器。
本实用新型提出的一种基于MEMS的电容式红外气体传感器，一方面，固定MEMS红外光源的辐射量，通过测量气体吸热膨胀后引起传感器芯片电容变化来反推气体浓度；另一方面，移开加热电阻条辐射装置，直接接受太阳辐射照射，通过测量密封气体吸热膨胀引起的电容变化来反推辐射量大小。
从以上技术方案可以看出，本实用新型具有以下有益效果：
（1）利用气体的红外吸收谱分析气体浓度，将红外光谱分析的手段与MEMS技术相结合，具有响应速度快、灵敏度高、寿命长、体积小等特点；
（2）采取阵列的形式，对比分析多个特征波长红外光的强度差别来计算多种气体的浓度，集成化程度高；
（3）采用参比气室结构，利用串联电容作为感应元件，有效抑制了温度的变化带来的影响，测量结果更为精确，且应用串联电容，减轻了线路连接的繁琐复杂性；
（4）工艺简单、成本低，与CMOS工艺兼容，可将信号的检测、调理和处理电路集成在一起，符合传感器小型化、阵列化、智能化的发展趋势；
（5）在太阳辐射检测方面，结构简单，易于操作，有效实现实时测量。
附图说明
图1是本实用新型敏感探头的纵向剖视图。
图2是本实用新型敏感探头的局部示意图。
图3是本实用新型信号调理电路和信号处理电路的示意图。
图4是本实用新型的制备流程图。
附图标记如下：MEMS红外光源1、固定结构11、旋转结构12、旋转杆13、待测气室2、进气孔21、出气孔22、参比气室3、绝缘绝热板4、红外滤光片阵列5、隔光绝热板51、滤光片52、红外探测阵列6、密封气腔61、充气阀62、硅衬底63、掺硼电极64、引线层65、引线66、铝电极67、玻璃衬底68。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本实用新型。
本实用新型提出的一种基于MEMS的电容式红外气体传感器，包括依次连接的直流电源、敏感探头、信号调理电路以及信号处理电路。
如图1所示，敏感探头包括MEMS红外光源1、待测气室2、参比气室3、红外滤光片阵列5和红外探测阵列6。MEMS红外光源1可以是集成在硅衬底上的多晶硅电阻条，电阻条通以电流后，由于温度升高，向外辐射宽谱红外光，其波长范围在1~20μm，满足仪器对红外光波长范围的需要。待测气室2和参比气室3为对称结构，大小相同，结构相似，侧壁由绝缘绝热板4构成，其中待测气室2为开放结构，前端设有进气孔21，背部设有出气孔22，通过进出气孔与待测气体环境相通；参比气室3为封闭结构，内封一个大气压的标准气体，标准气体内不含待测的气体成分。MEMS红外光源1安装在两个气室的顶部，参与气室3对应的红外光源为固定结构11，待测气室2对应的红外光源为旋转结构12，可通过旋转杆13绕固定结构11进行旋转，对待测气室2起到一个开启和关闭的作用。红外滤光片阵列5分别安装在两个气室的底部，直对顶部的MEMS红外光源1。
MEMS红外光源1经直流电源通以电流后会向外辐射红外光，分别进入待测气室2和参比气室3。红外光分别穿过待测气室2和参比气室3后，通过红外滤光片阵列5后以阵列的形式进入密封气腔61中。红外滤光片阵列5的出射端分别与密封气腔61相对应。待测气室2底部的滤光片与参比气室3底部的滤光片相同，而同一气室中对应了几种不同的滤光片，如图2所示的滤光片阵列，从前端到后端，第一排为CO滤光片，第二排为CH4滤光片，第三排为SO2滤光片，CO滤光片选取了CO在红外波段的一个吸收峰4.65μm，CH4滤光片选取了CH4在红外波段的两个吸收峰2.4μm、3.3μm，SO2滤光片选取了SO2在红外波段中的两个吸收峰7.45μm、8.7μm。其中，CO滤光片的出射端对应一个密封气腔，CH4滤光片出射端共同对应一个密封气腔，SO2滤光片出射端共同对应一个密封气腔。
当测定已知不同浓度的CO、CH4、SO2气体（用于标定的气体）时，将待测气室2顶部的旋转结构12闭合，将传感器放置于已知气体中并接通电源，通过进出气孔，使得待测气室2中充满待测气体，MEMS红外光源1发出的红外光穿过待测气室2，在经过待测气室2时被待测气室2中的混合气体吸收，使得光强发生变化，而在CO、CH4、SO2气体的吸收峰波段光强变化尤为明显，通过不同吸收波长的滤光片52出射后进入到各个相对应的密封气腔61中，被密封气腔61中的相应的气体吸收，受热会使得密封气腔61膨胀，从而挤压密封气腔61底部使其掺硼电极64发生形变，导致与其相串联的感应电容的大小发生变化。
如图3所示，通过放大滤波等电路进行信号调理，并将电容信号通过ADC转换器转换为数字信号，再由单片机接受与处理，并通过USB接口输出最终数据，为了消除电源不稳定、模数信号相互干扰的不良因素的影响，信号隔离器采用光耦隔离器和ADuM5401磁耦隔离器进行了干扰信号的隔离处理。MEMS红外光源1发出的红外光穿过待测气室2，由于参比气室3整体是密封的，其内部为一个大气压的标准气体，不含待测气体，它出射到密封气腔61中的光强不会发生变化，其串联电容发生的变化也是始终恒定的，通过对电路进行信号调理，并将电容信号通过ADC转换器转换为数字信号，该信号包含了测量环境的共模信号，例如环境温度的影响。其中，AD转换器可采用AD7745，单片机可采用STM32。
将待测气室2得到的数字信号与参比气室3得到的数字信号对比，差分处理后得到去除了温度漂移等共模信号影响的数字信号变化的大小，依据数字信号变化的大小得到关于CO、CH4、SO2气体浓度（标定气体）与数字信号变化大小之间拟合曲线关系。
当进行未知气体浓度探测时，将标定后的传感器放置于待测气体中并接通电源，通过进出气孔，使得待测气室2中充满待测气体，MEMS红外光源1发出的红外光穿过待测气室2，在经过待测气室2时被待测气室2中的气体吸收，再通过红外滤光片阵列5出射后进入到密封气腔61中，被密封气腔61中的相应的CO、CH4、SO2气体吸收，受热会使得密封气腔膨胀，从而挤压密封气腔底部使掺硼电极发生形变，导致与其相串联的感应电容的大小发生变化，通过信号调理电路进行信号调理，并将电容信号通过ADC转换器转换为数字信号，然后根据数字信号变化的大小来计算出待测气室2中气体的浓度。
此外本实用新型的气体传感器还具备太阳辐射量测量的功能。将待测气室2对应的旋转结构12通过旋转杆13旋转移开，并将传感器正对太阳光，使得阳光能够直接照射到红外滤光片阵列5上，太阳辐射中包含有CO、CH4、SO2气体吸收光谱，由于密封气腔61中CO、CH4、SO2气体含量恒定，太阳辐射量不同，相应光谱被各个气体吸收后的辐射吸热膨胀也不同，进而导致掺硼电极64形变不同，最终感应电容的大小也存在明显差异，这样根据标定后的气体传感器的电容大小可以测量太阳辐射量的大小。本实用新型中利用三种不同气体来综合测算太阳辐射量的大小精度更高，稳定性更好，另外参比气室3也可以剔除环境温度等共模信号的干扰，使得最终太阳辐射量测定精度较高。
如图4所示，基于MEMS的电容式红外气体传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：清洗P型单晶硅衬底，然后在其顶面和底面均热氧化生长出一层SiO2，如图4（a）所示；
步骤二：在底面SiO2层表面的第一部分区域涂上光刻胶，再用HF溶液做湿法腐蚀，漂去未涂敷光刻胶部位的SiO2，如图4（b）所示；
步骤三：在裸露的硅衬底部位进行硼离子注入，注入深度为0.5~1.5μm，形成掺杂浓硼硅层，即掺硼电极64，如图4（c）所示；
步骤四：在顶面SiO2层表面的第二部分区域涂上光刻胶，第二部分区域与第一部分区域垂直相对应，用RIE反应离子刻蚀法去除未涂敷光刻胶部位的SiO2，再用碱性氢氧化钾腐蚀剂各向异性腐蚀裸露出来的P型硅，直至掺硼电极64即停止腐蚀，得到深度为0.25~0.35mm的多个硅坑，然后除去剩余光刻胶，对顶面左右两端残留的SiO2层进行打孔，每个硅坑对应一个孔洞，接入充气阀62，用于充入和密封不同的检测气体，如图4（d）所示；
步骤五：刻蚀玻璃衬底68，在刻蚀后的玻璃顶面涂上光刻胶，形成光刻图形，在光刻图形表面涂敷铝薄膜，采用剥离工艺（Lift-off），去除光刻胶和不需要的铝薄膜，形成铝电极67，如图4（e）所示；
步骤六：在铝电极67处进行引线，并从设置在玻璃衬底68的顶面左右两端的引线层65引出，再将步骤五中得到的带有铝电极67的玻璃衬底68的顶面和硅衬底63的底面相对键合到一起，形成平板电容器，将嵌有滤光片52的隔光绝热板51与硅衬底63顶面相对键合到一起，形成密封气腔61，对密封气腔61进行充气，对应于CO滤光片的密封气腔充入CO气体，对应CH4滤光片的密封气腔充入CH4气体，对应SO2滤光片的密封气腔充入SO2气体，如图4（f）所示。
以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于MEMS的电容式红外气体传感器，其特征在于，包括：依次连接的直流电源、敏感探头、信号调理电路以及信号处理电路；所述敏感探头包括MEMS红外光源（1）、待测气室（2）、参比气室（3）、红外滤光片阵列（5）和红外探测阵列（6）；所述待测气室（2）和参比气室（3）形成左右对称结构，侧壁均设置有绝缘绝热板（4），顶部均与MEMS红外光源（1）相接，底部均与红外滤光片阵列（5）相接，其中所述待测气室（2）设有进气孔（21）和出气孔（22），用于与待测气体环境相通，所述参比气室（3）为封闭结构，内封有一个大气压的、不含待测气体的标准气体；所述MEMS红外光源（1）经直流电源对其通电后，向待测气室（2）和参比气室（3）辐射红外光，红外光分别穿过待测气室（2）和参比气室（3），通过红外滤光片阵列（5）出射，红外探测阵列（6）对出射的红外光进行探测，将探测信号传送给信号调理电路进行调理，再经过信号处理电路输出数据；
所述MEMS红外光源（1）包括固定结构（11）和旋转结构（12），所述固定结构（11）固定安装在参比气室（9）顶部，所述旋转结构（12）通过旋转杆（13）可旋转地安装在待测气室（2）顶部；
所述红外探测阵列（6）设置在红外滤光片阵列（5）底部，红外探测阵列（6）包括密封气腔（61）、充气阀（62）、掺硼电极（64）和感应电容，掺硼电极（64）和红外滤光片阵列（5）之间形成多个密封气腔（61），密封气腔（61）由充气阀（62）控制气体的进出，从红外滤光片阵列（5）出射的红外光进入密封气腔（61），被密封气腔（61）中的气体吸收，受热使得密封气腔（61）膨胀，从而挤压掺硼电极（64）发生形变，使得与掺硼电极（64）串联的感应电容大小发生变化；
所述红外滤光片阵列（5）由镶嵌在隔光绝热板（51）中的滤光片（52）阵列构成，所述滤光片（52）包括CO滤光片、CH4滤光片和SO2滤光片，分别用于透过在CO、CH4和SO2气体的红外吸收峰波段的光，所述CO滤光片、CH4滤光片和SO2滤光片分别对应于不同的密封气腔（61），红外光穿过待测气室（2）和参比气室（3）后分别从CO滤光片、CH4滤光片和SO2滤光片出射，进入相对应的各密封气腔（61）。
2.如权利要求1所述的一种基于MEMS的电容式红外气体传感器，其特征在于：所述MEMS红外光源（1）为集成在硅衬底上的多晶硅电阻条。
3.如权利要求1所述的一种基于MEMS的电容式红外气体传感器，其特征在于：所述信号调理电路包括依次连接的信号放大器、信号滤波器和功率放大器，还包括用于对干扰信号进行隔离处理的光耦隔离器。
4.如权利要求1所述的一种基于MEMS的电容式红外气体传感器，其特征在于：所述信号处理电路包括ADC转换器、信号隔离器、单片机、LDO线性电源和USB，ADC转换器将经过信号调理电路调理的信号转换为数字信号，经过信号隔离器输入单片机，并通过USB接口输出最终数据，所述LDO线性电源用于给信号隔离器和单片机供电。
5.如权利要求4所述的一种基于MEMS的电容式红外气体传感器，其特征在于：所述信号隔离器包括光耦隔离器和磁耦隔离器。
6.一种如权利要求1-5中任一所述的基于MEMS的电容式红外气体传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：清洗P型单晶硅衬底，然后在其顶面和底面均热氧化生长出一层SiO2；
步骤二：在底面SiO2层表面的第一部分区域涂上光刻胶，再用HF溶液做湿法腐蚀，漂去未涂敷光刻胶部位的SiO2；
步骤三：在裸露的硅衬底部位进行硼离子注入，注入深度为0.5~1.5μm，形成掺硼电极（64）；
步骤四：在顶面SiO2层表面的第二部分区域涂上光刻胶，第二部分区域与第一部分区域相对应，用RIE反应离子刻蚀法去除未涂敷光刻胶部位的SiO2，再用碱性氢氧化钾腐蚀剂各向异性腐蚀裸露出来的P型硅，直至掺硼电极（64）即停止腐蚀，得到深度为0.25~0.35mm的多个硅坑，然后除去剩余光刻胶，对顶面左右两端残留的SiO2层进行打孔，每个硅坑对应一个孔洞，接入充气阀（62），用于充入和密封不同的检测气体；
步骤五：刻蚀玻璃衬底（68），在刻蚀后的玻璃顶面涂上光刻胶，形成光刻图形，在光刻图形表面涂敷铝薄膜，采用剥离工艺，去除光刻胶和不需要的铝薄膜，形成铝电极（67）；
步骤六：在铝电极（67）处进行引线，并从设置在玻璃衬底（68）的顶面左右两端的引线层（65）引出，再将步骤五中得到的带有铝电极（67）的玻璃衬底（68）的顶面和硅衬底（63）的底面相对键合到一起，形成平板电容器，将嵌有滤光片（52）的隔光绝热板（51）与硅衬底（63）顶面相对键合到一起，形成密封气腔（61），对密封气腔（61）进行充气，对应于CO滤光片的密封气腔充入CO气体，对应CH4滤光片的密封气腔充入CH4气体，对应SO2滤光片的密封气腔充入SO2气体。
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