CN106680234B - 一种光学气体传感器芯体、传感器及芯体制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学传感器芯体，包括基片，基片上设有底层反射层和电极柱，电极柱的上端设有顶层反射层，底层反射层的两侧分别设置有发射组件和接收组件。本发明还公开了一种光学传感器，包括基座，基座内设有空腔，空腔内安装有芯体。本发明的芯体及传感器均具有适用于不同浓度气体检测、以及结构简单、体积小等优点。本发明还公开了一种芯体制备方法，步骤S01、清洗基片；S02、在基片上制备底层反射层，并在底层反射层的两侧安装发射组件和接收组件；S03、在底层反射层上制备牺牲层和电极柱；S04、在电极柱的上端制备顶层反射层；S05、释放牺牲层，以使底层反射层和顶层反射层之间形成光腔室。本发明的方法具有操作简便、工艺简单、易于实现等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及气体浓度测量技术领域，特指一种光学气体传感器芯体、传感器及芯体制备方法。
背景技术
气体传感器在航天、航空、石油、化工、医疗等领域有关广泛的应用。气体传感器按气敏特性来分类，主要可分为催化燃烧式、电化学、红外光学式以及热导式。其中红外光学式气体传感器具有测量精度高、可靠性高、测量范围广和寿命长等优势，成为目前的研究热点之一。
红外气体传感器的检测原理是基于朗伯比尔定律(Lambert-Beer)，当红外光通过待测气体时，不同的气体分子吸收特定波长的红外光。当光强为I0，波长为λ的光束入射到气室中，气室中的样品在λ处有吸收线或者吸收带，气室出射光的光强则为I。
由介质的吸收性质可知，当光通过待测气体时，光强的变化规律可用如下公式描述：
I＝I0·e-αcL
其中：I0为通过待测气体前的光强，I为光信号通过待测气体后的光强，c为待测气体的浓度，L是光所通过的待测气体的长度，α是待测气体的吸收系数。为了便于测量，将上式改写为：
c＝(1/αL)Ln(I0/I)
由上式可以看出，只要知道了光通过待测气体的光程长L以及待测气体分子的吸收系数α，就可以通过测量I和I0的比值求得待测气体的浓度。其中，吸收系数α是通过推算和实验总结出来的，不同的气体分子对应的是一个固定值。因此，红外气体传感器的浓度测量主要待测气体经过传感器的光程长L有关。而在实际的数据处理中发现，当不同的气体浓度c和光程长L的乘积在25％～40％的范围内，测得的数据具有较好的线性和精度。因此，传感器的测量量程由气室的长度决定，低量程需用长气室，高量程用短气室。
第一代红外气体传感器采用分体对射式光路结构，体积大，安装复杂，光路尺寸不方便控制。第二代红外气体传感器采用圆筒式结构，光源通过圆形壁的反射实现光路结构的检测，但这二种方式都存光路结构体积大，采用机械加工方式制备，尺寸控制精度差等缺点，且易受干扰等。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、可适用于不同浓度检测的光学传感器芯体、传感器，并相应提供一种操作简便、易于实现的芯体的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种光学传感器芯体，包括基片，所述基片上设有底层反射层，所述底层反射层上设有电极柱，所述电极柱的另一端上设有顶层反射层，所述底层反射层和顶层反射层平行设置且中间形成光腔室，所述底层反射层的两侧分别设置有发射组件和接收组件，所述发射组件的光发射方向和接收组件的光接收方向与顶层反射层呈夹角β，所述夹角0＜β＜90度。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述底层反射层的两侧设有倾斜状的台阶，所述发射组件和接收组件安装于台阶的倾斜面上。
所述顶层反射层于光腔室的一内侧设置有支撑层，所述支撑层为Si3N4支撑层。
所述顶层反射层的外侧设置有保护层。
所述发射组件为发光二极管，所述接收组件为红外探测器。
所述基片与所述底层反射层之间设置有过渡层。
所述底层反射层和顶层反射层均为Al反射层；所述电极柱为Al电极柱。
本发明还公开了一种光学传感器，包括基座，所述基座内设有空腔且一端安装有透气外壳，所述空腔内安装有如上所述的光学传感器芯体，所述基座的另一端烧结有引针，所述引针的一端与芯体相连，另一端伸出至基座外部。
本发明还公开了一种如上所述的光学传感器芯体的制备方法，步骤为：
S01、清洗基片；
S02、在所述基片上制备底层反射层，并在底层反射层的两侧安装发射组件和接收组件；
S03、在底层反射层上制备牺牲层和电极柱；
S04、在电极柱的上端制备顶层反射层；
S05、释放牺牲层，以使底层反射层和顶层反射层之间形成光腔室，所述发射组件的光发射方向和接收组件的光接收方向与顶层反射层呈夹角β，所述夹角0＜β＜90度。。
作为上述技术方案的进一步改进：
在步骤S02中，在所述底层反射层的两侧制备倾斜状台阶，所述发射组件和接收组件分别安装于底层反射层两侧台阶的倾斜面上。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的光学气体传感器芯体，通过在基片上设备底层反射层，并在底层反射层上通过电极柱安装顶层反射层，底层反射层和顶层反射层之间形成光腔室，另外发射组件和接收组件与各反射层之间呈夹角，可以通过调整夹角，以适用于测量不同浓度的气体，另外还可以通过调整电极柱的高度以改变光行程，进一步便于对不同浓度气体的测量，而且制作简便快速、适用于批量生产，而且体积小。本发明的光学气体传感器，同样具有如上芯体所述的优点，而且结构简单、体积小、制作快速，方便批量化生产。本发明的光学气体传感器芯体的制备方法，操作简便、易于实现。
附图说明
图1为本发明芯体的结构示意图。
图2为本发明的芯体俯视结构示意图。
图3为本发明的传感器的结构示意图。
图中标号表示：1、基片；2、过渡层；3、底层反射层；4、电极柱；5、支撑层；6、顶层反射层；7、保护层；8、台阶；9、发射组件；10、接收组件；11、引线；12、基座；13、引针；14、外壳。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1和图2所示，本实施例的光学传感器芯体，包括基片1，基片1上设有底层反射层3，底层反射层3上设有电极柱4，电极柱4的另一端上设有顶层反射层6，底层反射层3和顶层反射层6平行设置且中间形成光腔室，底层反射层3的两侧分别设置有发射组件9和接收组件10，其中电极柱4与发射组件9和接收组件10之间均通过金属引线11连接，发射组件9的光发射方向和接收组件10的光接收方向与顶层反射层6呈夹角β，其中夹角0＜β＜90度。本发明的光学气体传感器芯体，通过在基片1上设备底层反射层3，并在底层反射层3上通过电极柱4安装顶层反射层6，底层反射层3和顶层反射层6之间形成光腔室，另外发射组件9和接收组件10与各反射层之间呈夹角，可以通过调整夹角，以适用于测量不同浓度的气体，另外还可以通过调整电极柱4的高度以改变光行程，进一步便于对不同浓度气体的测量。
本实施例中，基片1与底层反射层3之间设置有过渡层2，底层反射层3位于过渡层2的上方，过渡层2为SiO2；底层反射层3两侧的过渡层2上通过光刻工艺形成台阶8，台阶8呈倾斜状，发射组件9和接收组件10安装于台阶8的倾斜面上，从而使发射光与顶层反射层6形成夹角，在光腔室内多道反射后被接收组件10所接收，通过调整台阶8的倾斜角度，即可调光的路径L，从而方便对不同浓度气体的测量。
本实施例中，顶层反射层6于光腔室的一内侧设置有支撑层5，支撑层5为Si3N4支撑层5，呈透明状，不会对光的反射产生影响。
本实施例中，底层反射层3和顶层反射层6均为Al反射层；电极柱4为Al电极柱4；顶层反射层6的外侧设置有保护层7，防止顶层反射层6的Al被氧化。
本实施例中，发射组件9为发光二极管，接收组件10为红外探测器。
如图3所示，本发明还公开了一种光学传感器，包括基座12，基座12内设有空腔且一端安装有透气外壳14，空腔内安装有如上所述的光学传感器芯体，基座12的另一端烧结有引针13，引针13的一端则与芯体相连，另一端伸出至基座12外部。
本发明还公开了一种如上所述的光学传感器芯体的制备方法，步骤为：
S01、清洗基片1；
S02、在基片1上制备底层反射层3，并在底层反射层3的两侧安装发射组件9和接收组件10；
S03、在底层反射层3上制备牺牲层和电极柱4；
S04、在电极柱4的上端制备顶层反射层6，其中发射组件9的光发射方向和接收组件10的光接收方向与顶层反射层6呈夹角β，其中夹角0＜β＜90度；
S05、释放牺牲层，以使底层反射层3和顶层反射层6之间形成光腔室。
本实施例中，在步骤S02中，在底层反射层3的两侧制备倾斜状台阶8，发射组件9和接收组件10分别安装于底层反射层3两侧台阶8的倾斜面上。
下面结合图1的结构对本发明的方法做进一步说明：
(1)清洗硅基片1，去除基片1表面油污及杂质；
(2)采用PECVD镀膜制备过渡层SiO2，并通过光刻工艺形成台阶8；
(3)通过磁控溅射制备金属引线11和底层反射层3，材料为Au或者Al；
(4)制备红外光源LED和光电探测器PD，金属引线11连接红外光源LED和光电探测器PD的正负极；
(5)光刻工艺制备牺牲层，牺牲层材料为聚酰亚胺薄膜；
(6)磁控溅射方式制备Al金属柱(电极柱4)，并与金属引线11相连；
(7)PECVD制备Si3N4支撑层5(避免上层的Al顶层反射层6与牺牲层材料的兼容性差的问题)
(8)制备Al顶层反射层6；
(9)制备SiO2保护层7；防止Al顶层反射层6被氧化。
(10)释放牺牲层材料，用离子束去胶将牺牲层释放(刻蚀掉)，形成空腔，也就是光路反射区域，该区域是气体检测通道(光腔室)。
最后，在制备传感器时，将电极柱4与引针13通过金丝球焊连接，外壳14封装，完毕，整个安装过程简单快速、工艺简单、适用于批量化生产，而且制备的传感器体积小。
在进行气体浓度测量时，整个气体检测过程为自然扩散方式，气体通过透气外壳14，渗透到检测区域(光腔室)，也就是到芯体位置。红外发光二极管的二个电极(正/负)，通恒定电流发出恒定光强的红外光，红外光经光腔室发射后被光探测器接收，光探测器将光转换为电流(也是正负电极)。气体进入光腔室，根据比尔朗伯定律，不同浓度气体对光吸收程度不一样，光探测器将光信号转换成电信号，不同大小的光电流对应不同浓度的检测气体。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种光学传感器芯体，其特征在于，包括基片（1），所述基片（1）上设有底层反射层（3），所述底层反射层（3）上设有电极柱（4），所述电极柱（4）的另一端上设有顶层反射层（6），所述底层反射层（3）和顶层反射层（6）平行设置且中间形成光腔室，所述底层反射层（3）的两侧分别设置有发射组件（9）和接收组件（10），所述发射组件（9）的光发射方向和接收组件（10）的光接收方向与顶层反射层（6）呈夹角β，所述夹角0＜β＜90度；通过调整电极柱（4）的高度以改变光行程。
2.根据权利要求1所述的光学传感器芯体，其特征在于，所述底层反射层（3）的两侧设有倾斜状的台阶（8），所述发射组件（9）和接收组件（10）安装于台阶（8）的倾斜面上。
3.根据权利要求1所述的光学传感器芯体，其特征在于，所述顶层反射层（6）于光腔室的一内侧设置有支撑层（5），所述支撑层（5）为Si3N4支撑层。
4.根据权利要求3所述的光学传感器芯体，其特征在于，所述顶层反射层（6）的外侧设置有保护层（7）。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的光学传感器芯体，其特征在于，所述发射组件（9）为发光二极管，所述接收组件（10）为红外探测器。
6.根据权利要求1至4中任意一项所述的光学传感器芯体，其特征在于，所述基片（1）与所述底层反射层（3）之间设置有过渡层（2）。
7.根据权利要求1至4中任意一项所述的光学传感器芯体，其特征在于，所述底层反射层（3）和顶层反射层（6）均为Al反射层；所述电极柱（4）为Al电极柱。
8.一种光学传感器，其特征在于，包括基座（12），所述基座（12）内设有空腔且一端安装有透气外壳（14），所述空腔内安装有如权利要求1至7中任意一项所述的光学传感器芯体，所述基座（12）的另一端烧结有引针（13），所述引针（13）的一端与芯体相连，另一端伸出至基座（12）外部。
9.一种如权利要求1至7中任意一项所述的光学传感器芯体的制备方法，其特征在于，步骤为：
S01、清洗基片（1）；
S02、在所述基片（1）上制备底层反射层（3），并在底层反射层（3）的两侧安装发射组件（9）和接收组件（10）；
S03、在底层反射层（3）上制备牺牲层和电极柱（4）；
S04、在电极柱（4）的上端制备顶层反射层（6）；
S05、释放牺牲层，以使底层反射层（3）和顶层反射层（6）之间形成光腔室，所述发射组件（9）的光发射方向和接收组件（10）的光接收方向与顶层反射层（6）呈夹角β，所述夹角0＜β＜90度。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在步骤S02中，在所述底层反射层（3）的两侧制备倾斜状台阶（8），所述发射组件（9）和接收组件（10）分别安装于底层反射层（3）两侧台阶（8）的倾斜面上。
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