CN110462377A - 气体传感器mems结构及其制造方法 - Google Patents

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李正国
科斯塔斯·约翰·斯潘诺斯
钱友
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Abstract

一种气体传感器，一种制造气体传感器的方法，一种制造用于加热器或热电堆的微机电系统(MEMS)管芯的方法，以及一种用于加热器或热电堆的微机电系统(MEMS)管芯。所述气体传感器包括：第一微机电系统(MEMS)管芯，其包括光源；第二MEMS管芯，其包括光检测器；样品室，其设置在所述光源和所述光检测器之间的光路中；以及保持器衬底。其中，所述第一MEMS管芯和所述第二MEMS管芯在相对于所述保持器衬底的垂直方向上被设置在所述保持器衬底上。

Description

气体传感器MEMS结构及其制造方法
发明领域
一个方面，本发明广泛涉及气体传感器领域，并且具体地涉及基于光发射和光检测的气体传感器，例如非分散红外(NDIR)气体传感器，以通过感测穿过气体的红外辐射的吸收来确定存在于腔室中的特定气体的浓度。
另一方面，本发明广泛地涉及红外光源和检测器，例如微加热器源和热电堆检测器，的领域，特别是旨在增强器件的性能，以及提高器件的制造产量。
技术背景
在整个说明书中对现有技术的任何提及和/或讨论不应以任何方式被认为是承认该现有技术是公知的或形成本领域公知常识的一部分。
基于光发射和光检测的气体传感器，例如非分散红外(NDIR)气体传感器一直被认为是用于气体测量的最佳方法之一。NDIR气体传感器利用了这样的事实：各种气体在红外辐射光谱中的特定波长处显示出大的吸收。术语“非分散”表示采用NDIR技术的器件类型，通常使用窄带通滤光片来选择来自宽波段红外光源的特定波段的辐射。与其他气体检测方法相比，如电化学燃料电池、氧化锡(SnO2)传感器、金属氧化物半导体(MOS)传感器、催化传感器、光电离检测器(PID)、火焰离子化检测器(FID)和热传导传感器均称为交互式气体检测器。NDIR气体传感器具有高度特异性、灵敏度、响应速度快、相对稳定、可靠且易于维护。
过去，NDIR气体传感器通常包括：红外辐射源，其具有用于调节源的马达驱动的机械斩波器，用于推动气体穿过样品室的泵、窄带通滤光片、灵敏红外检测器、以及红外光学器件和窗口将来自源的红外能量聚焦到检测器上。即使NDIR气体测量技术是已经开发的最佳实践之一，由于其与其他气体检测方法相比的复杂性和高成本，其还没有得到广泛应用。
自从20世纪50年代中期首次引入NDIR气体测量技术以来，已经提出并成功地证明了基于NDIR气体检测原理的大量改进的测量技术。1974年Burch等人(序号为3,793,525的美国专利号)和Blau等人(序号为3,811,776的美国专利号)提出了用于NDIR气体测量的双光束技术，其通过利用针对一些强吸收气体如二氧化碳(CO2)的非线性吸收原理以产生参考通道。不久之后，这种双光束NDIR气体传感器技术通过使用两个插入的滤光片(一个吸收和一个中性)来大大简化，以构建样品检测器通道和参考检测器通道。随后采用这种技术的NDIR气体传感器具有良好的性能。在序号为4,578,762(1986)的美国专利号中，Wong提出了一种使用新型两轮斩波器和反射器装置的自校准NDIRCO2分析仪。在序号为4,694,173(1987)的美国专利，Wong描述了另一种改进类型的这种气体分析仪。该气体传感器没有移动部件，用于实现滤光片的插入，以便像前面描述的NDIR气体传感器那样制作样品和参考检测器通道。
为了降低成本并简化NDIR方法的实施，在序号为5,163,332(1992)的美国专利号中，Wong提出了波导扩散样品室的概念，以使NDIR气体传感器更紧凑、粗糙和低成本，同时仍保持其优越的性能特征。波导扩散样品室使用具有内反射表面的细长中空管，该内反射表面允许管充当光管以将辐射穿过样品气体从源传输到检测器。无孔中空管壁中的多个孔使样品气体在环境压力下自由地进出。通过使用延伸孔的半透膜将烟雾和灰尘颗粒保持在室外，而通过将样品室加热到高于气体(或空气)的露点的温度可以防止样品气体(或空气)的冷凝。在今天的NDIR气体传感器的设计中广泛采用了这一概念，特别是在低成本和高容量的气体传感器中。
在随后的几年中，Wong继续完善和改进低成本的NDIR气体传感器，这可以通过序号为5,222,389(1993年6月)的美国专利，序号为5,341,214(1994年8月)的美国专利，序号为5,347,474(1994年9月)的美国专利，序号为5,453,621(1995年9月)的美国专利，序号为5,502,308(1996年3月)的美国专利，序号为5,747,808(1998年5月)的美国专利，序号为5,834,777(1998年11月)的美国专利和序号为6,237,575(2001年5月)的美国专利的授权来证明。直到最近，降低NDIR气体传感器成本的努力主要集中在开发低成本红外组件，改进传感器结构和光学设计，以及简化电子信号处理电路。到目前为止，最广泛使用的NDIR气体传感器是双光束器件，其具有用单个红外光源和两个单独的红外检测器实现的信号和参考光束，每个红外检测器具有不同的带通滤光片。信号滤光片包含调谐到气体吸收辐射的窄光谱带通。因此，感兴趣的气体的存在将调制信号光束。此外，参考滤光片包含一个窄的光谱带通，该带通与所讨论的气体无关，也与大气中存在的所有常见气体无关。因此，参考光束充当用于随时间检测气体种类的参考。
如今，双光束技术适用于许多应用，特别是用于检测相对低浓度的CO2气体(400-2000ppm)，用于加热、通风和空调(HVAC)系统以及室内空气质量(IAQ)应用。然而，传感器的成本降低受到昂贵的检测器封装的限制，该封装包含两个检测器，每个检测器配备有不同的滤光片。另外，双光束NDIR气体传感器仍然具有许多限制，这些限制需要特殊动作以使传感器可靠且稳定地使用一段时间。这些限制包括：红外光源老化，其可能导致到达检测器的红外辐射的空间分布发生变化的，以及样品室的内部反射表面的不均匀老化，其可能影响检测器组件处施加的辐射的空间分布。最后，两个滤光片的不同老化特性是一个限制，每个滤光片都是通过不同的过程制成的，从而导致两个检测器的潜在的不同老化特性。
之前描述的所有NDIR气体传感器都表现良好，并且在过去二十年中对气体分析领域的整体技术进步做出了有效贡献。它们已被医学和工业界广泛接受。然而，无论多年来它们的成功与否，仍然存在一些需要显著改进的特性，以便进一步扩展这些装置的有益的应用。到目前为止，包括NDIR气体传感器在内的当今气体传感器的第一个缺点是传感器输出随时间的稳定性，即随着时间的推移漂移，例如由于在生命周期中加热多次以提供红外能量所导致的红外线源的老化。这将导致其光谱输出强度的变化。这意味着每个气体传感器都需要每三个月到一年重新校准一次，以便随着时间的推移保持准确。例如，如果没有输出稳定的CO2控制器，在办公室和商业建筑中实现和实施需求控制通风(DCV)策略以节省能源将是非常不方便的。当今的气体传感器的第二个缺点，无论其工作原理如何，都是作为环境温度的函数的输出依赖性，即传感器所处的温度漂移。通常通过指定相对于标准温度下的输出的每度温度变化的输出校正来解决该问题。然而，这些输出温度校正通常限制了这些传感器在室外的使用。
Wong最近已在序列号为8,143,581(2009)的美国专利中采用吸收偏差的NDIR方法解决了上述NDIR气体传感器的性能缺陷。该方法利用了以下事实：假定一双通道器件，该传感器的输出作为信号输出与参考输出的比率，可以随时间始终保持恒定或不变，除非在样品室中存在感兴趣的气体。因此，信号和参考通道都必须用完全相同的频谱窄带通滤光片来构建。为了在存在感兴趣的气体的情况下区分信号输出和参考通道输出，通过使用用于两个通道的不同样品室路径长度在两个通道之间设计吸收偏压。两个检测通道具有相同的窄带通滤光片并且它们接收来自相同单个红外光源的辐射的事实已经表明，当由于样品室中的温度变化/或通过红外光源的短期或长期操作变化(例如老化)引起光谱变化时，它们都以与第一顺序相同的方式受到影响。
解决传感器输出随时间漂移的另一种近期方法与建筑物中的所有传感器组合成无线传感器网络(WSN)有关。这些传感器实际上可以通过自动调试、自我调整、自我诊断和校正，甚至自我配置功能以高效的方式相互作用和协作。通过这样做，可以减少建筑物的能量需求，同时还可以大大提高建筑物中居住者的舒适度和安全性。其他方法包括，使用反馈电路通过调节传递到源的电压来控制和保持红外光源温度恒定。其他最近的策略包括使用能够通过传感器测量样品室温度、压力和最终相对湿度(RH)来补偿环境变化的后处理算法。
此外，还没有解决另外两个重要的性能特征，即小型化和最低的单位成本。长期以来，电化学气体传感器被认为是小型且低成本的，但是与其他非电化学气体传感器，特别是NDIR类型相比，它们的性能随时间输出不稳定和相对短的工作寿命也是已知的。十多年前，Wong在序列号为5,444,249(1995年8月22日)的美国专利中披露了一种使用半导体微加工技术从半导体材料制造的小型化单束NDIR气体传感器。由于NDIR传感器由半导体材料制成，因此可以使用集成电路(IC)制造技术将源驱动器和信号处理电子器件直接添加到传感器。
在过去几年中，所有类型的微机电系统(MEMS)传感器的出现大大降低了可用的传感器尺寸。MEMS器件可以包括一个或多个机械元件，例如通过微制造技术形成在衬底上的传感器和致动器，以及硅衬底。处于封装之前的状态的这种MEMS器件也可以称为“MEMS管芯”。MEMS管芯通常放置在封装中以保护MEMS管芯并简化与较大电子器件的电连接件。这种MEMS封装通常设计成附接到用于较大器件的印刷电路板(PCB)或类似接口。MEMS封装可以包括：限定腔以容纳MEMS管芯的壳体，用于电连接到MEMS管芯的接合焊盘，用于电连接到更大器件的引线，以及用于接合焊盘和引线之间的电连接的互连件。MEMS管芯附接到MEMS封装的安装表面，并且可以电连接到接合焊盘。诸如专用集成电路(ASIC)管芯的其他器件可以类似地被封装以用于保护并且简化与较大电子器件的电连接件。这种ASIC管芯可以独立封装或者与MEMS器件封装在一起。Xue等人在序号为8,836,132B2(2014年9月)的美国专利以及序号为8,624,380B2(2014年1月)的美国专利中已经解决了MEMS管芯的垂直安装问题。在大多数应用中，MEMS管芯平行于封装安装平面，使得器件处于水平方向。在其他应用中，MEMS管芯垂直于封装安装平面，使得器件保持在垂直方向上。
为了检测极低浓度的气体，对稳定的红外光源和检测器以及长路径腔室的要求仍然是未来要克服的MEMS技术的难题。然而，具有其自身局限性的这种有前景的传感器技术尚未渗透到NDIR气体传感器领域。从上面的讨论可以看出，NDIR气体传感器技术可以进一步改进以实现小型化，同时降低单位成本。
在MEMS领域，微加热器是由导电材料制成的连续线路，其由于焦耳加热而响应于输入电流而加热。微型加热器通常用作用于提供局部加热的微型板，或者用作普朗克辐射定律规定的红外光源。加热器线路被容纳在膜上以获得机械稳定性，并通过支撑臂固定到衬底上。为了提高微加热器的效率、小型化和改进的性能，基于该应用设计了许多权衡。通常，加热器线路以曲折形状缠绕以实现具有高电阻的改善的占地面积。此外，为了减少通过支撑臂的传导的热损失，这些结构的几何形状被优化，具有将加热器保持在适当位置所需的期望机械强度。最后，加热器在真空中被包装，以减少由于空气对流造成的热损失。
热电堆是一种将热能转换为电能的器件。它由连接在一起的多个热电偶(一个P型光束和一个N型光束)组成。该器件在热电偶的两端具有热端(吸收器)和冷端(衬底)。热电堆不响应绝对温度，但会产生与局部温差成比例的输出电压。因此，保持高温差会增加器件的输出。一种材料可以将热能转换成电能的现象称为热电效应。材料的塞贝克系数是响应于该材料上的温差而感应的热电电压的大小的量度。通常有两种方法来增加输出设备，使用具有高塞贝克系数的材料并保持高温差。在热电堆中，吸收器用于吸收入射信号(光)，并在热电偶的两端之间产生温差。任何热电堆的设计原理可归纳为1)，一种高效吸收器，可将所有入射光转换为热量。2)，消除吸收器和Si衬底之间的大部分或全部热损失，包括传导、转换和辐射。理想情况下，唯一的热路径是热电偶本身。
本发明的实施例试图解决至少一个上述问题。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种气体传感器，包括：第一微机电系统(MEMS)管芯，其包括光源；第二MEMS管芯，其包括光检测器；样品室，其设置在所述光源和所述光检测器之间的光路中；以及保持器衬底。其中，所述第一MEMS管芯和所述第二MEMS管芯在相对于所述保持器衬底的垂直方向上被设置在所述保持器衬底上，并且所述样品室在所述第一MEMS管芯和所述第二MEMS管芯之间横向设置。
根据本发明的第二方面，提供了一种制造气体传感器的方法，包括步骤：提供包括光源的第一微机电系统(MEMS)管芯；提供包括光检测器的第二MEMS管芯；提供设置在所述光源和所述光检测器之间的光路中的样品室；并提供保持器衬底。其中，所述第一MEMS管芯和所述第二MEMS管芯在相对于保持器衬底的垂直方向上被设置在所述保持器衬底上，并且所述样品室被横向设置在所述第一MEMS管芯和所述第二MEMS管芯之间。
根据本发明的第三方面，提供了一种制造用于加热器或热电堆的微机电系统(MEMS)管芯的方法，所述方法包括：提供支撑结构；在所述支撑结构上设置一个或多个超材料元件；将设置有所述一个或多个超材料元件的所述支撑结构悬挂在腔上；以及提供晶片级薄膜封装，以用于所述MEMS管芯的真空封装。
根据本发明的第四方面，提供了一种用于加热器或热电堆的微机电系统(MEMS)管芯，所述MEMS管芯包括：支撑结构；所述支撑结构上的一个或多个超材料元件。其中，带有所述一个或多个超材料元件的所述支撑结构横跨腔；以及用于所述MEMS管芯的真空封装的晶片级薄膜封装。
附图的简要说明
通过以下书面描述，仅通过示例，并结合附图，本领域普通技术人员将更好地理解本发明的实施例并且对其而言是显而易见的，其中：
图1示出了根据示例性实施例的单束NDIR扩散气体传感器的线条图。
图2示出了图1的传感器的分离的部件的线条图。
图3示出了根据另一示例性实施例修改的图1的传感器的分离的部件的线条图。
图4示出了根据示例性实施例的微加热器器件的组件的线条图。
图5示出了根据示例性实施例的微加热器器件的横截面的线条图。
图6a)至j)示出了相应的线条图，其说明了制造图5的微加热器器件的工艺流程。
图7示出了根据示例性实施例的热电堆器件的线条图。
图8示出了根据示例性实施例的热电堆器件的横截面的线条图。
图9a)至j)示出了相应的线条图，其说明了制造图8的热电堆器件的工艺流程。
图10示出了根据一实施例的一种制造气体传感器的方法的流程图。
图11示出了根据一实施例的一种制造用于加热器或热电堆的微机电系统(MEMS)管芯的方法的流程图。
详细说明
这里描述的本发明的实施例提供了一种低成本和低功率集成的单光束NDIR扩散气体传感器，用于快速检测预定气体(例如，CO2)。根据示例性实施例的气体传感器通常由以下组成：单个(或阵列)MEMS红外加热器源，其具有超材料发射器以实现窄带通发射；单个(或阵列)MEMS红外热电堆检测器，其具有超材料吸收器以实现窄带通吸收；硅保持器IC；MEMS管波导扩散样品室，其具有内反射表面和孔；以及设计在同一硅保持器IC上的硅ASIC，其包含用于驱动红外光源的电路，具有用于校准其温度的最终反馈回路；模拟接口，其用于读出传感器输出；以及数字信号处理电路，其用于确定气体浓度并补偿环境变化，即样品室温度、压力和最终RH。所有这些组件都通过CMOS兼容工艺实现。
如本领域技术人员将理解的，“超材料”是一种在自然界中不存在的人造材料，其可以被设计为操纵电磁(EM)波传播或实现仅可以在设计单元的周期阵列上实现的EM波的独特特征。对于气体传感，可以对超材料进行设计以允许特定波长传播以进行选择性读取，同时消除对大体积组件，例如滤光片，的需要。
在示例性实施例中使用多个组件，即MEMS红外加热器阵列和MEMS热电堆阵列的情况下，可以增加穿过样品气体的辐射并且使热电堆检测到的辐射最大化。根据所选择的设计，阵列的单个组件可以并联和串联连接。
在一些示例性实施例中，MEMS管芯垂直地组装在的沟槽上，所述保持器IC机械地支撑该管芯并与该管芯电连接。在一些示例性实施例中，ASIC被设计在包含驱动器、模拟接口和数字处理电路的相同保持器IC上。MEMS超材料发射器和吸收器优选地允许MEMS红外微加热器源发射辐射，并且允许MEMS热电堆检测器接收某波长的辐射，该波长被浓度待确定的气体强烈吸收。在一些示例性实施例中，MEMS管波导扩散室被用于通过内表面上的多次反射将辐射穿过样品气体从红外光源的传输到热电堆，同时作为气体样品室。孔可以允许气体在环境压力下自发地进入和离开。在一些示例性实施例中，热电堆将气体吸收特性的变化转换为读出电压，然后由电子设备对读出电压进行采样和处理，以确定气体的浓度并补偿环境变化。
根据一些示例性实施例的真空级薄膜封装将源和检测器与样品气体热隔离，从而防止样品气体或空气对这些元件进行冷却。此外，热隔离优选地减少了源和检测器的热响应时间，从而允许非常快速的气体检测，以及因而每次测量的低能耗，同时增加产量。因为MEMS管波导的内表面在一些示例性实施例中是反射的，所以辐射穿过样品气体从源传输到检测器，而不需要昂贵的光学器件。另外，因为在一些示例性实施例中，该气体传感器使用扩散气体样品室，所以不需要泵来将样品气体推入或拉入样品室。
根据本发明的示例性实施例的用于预定气体的快速检测的新型低成本和低功率的集成单光束NDIR扩散气体传感器100在图1中示出。传感器100包括：MEMS管芯102，其包括具有超材料发射器和真空级薄膜封装(未分解的(not resolved))的单个(或阵列，比较图3)MEMS源103；MEMS管芯104，其包括具有超材料吸收器和真空级薄膜封装(未分解的)的单个(或阵列，比较图3)MEMS检测器105；硅保持器IC106；MEMS管芯108，其包括MEMS管波导扩散样品室110，其具有内反射表面以及以室110的开口端形式的孔；以及设计在同一保持器IC106上的硅ASIC112，其包括源驱动器、模拟接口和数字处理电路(未分解的)。根据图1的示例性实施例的传感器100的分离的部件在图2中示出，其中与图1中相同的附图标记用于相同的部件。另外，图3示出了修改的实施例的分离的部件，相应的部件具有与图1和2中相同的数字，但添加了“b”，分别包括微加热器和热电堆阵列200、202，提供了包括多个源和检测器MEMS组件的传感器。
保持器IC106可以使用本领域中理解的现有技术由半导体材料制造而成，而MEMS管芯102、104和108可以使用标准的管芯附接工艺垂直地安装在保持器IC106上。如本领域技术人员将理解的，管芯附接工艺是将MEMS管芯附接到封装或一些衬底的过程。管芯附接工艺的一些示例包括共晶接合、环氧树脂接合和焊接附接。垂直安装的MEMS管芯的具体优点包括小型化能力和源和检测器之间的视线(LoS)辐射。其他优点包括易于集成和组装。垂直安装是系统集成芯片(SoC)和系统级封装(SiP)解决方案的基石技术，具有适用于批量生产的高纵横比。任何半导体材料可用于包括硅(Si)和砷化镓(GaAs)的保持器IC106，但是Si目前被认为是优选的半导体材料。可以使用的其他半导体材料包括二元、三元和四元II-VI和III-V半导体材料。
在一些示例性实施例中，真空封装将源和检测器与气体样品进行热隔离，使得气体样品(或空气)不会冷却检测器或源，否则将导致不正确的读数。对封装的厚度进行选择，以实现热隔离同时允许光学透明。
源103产生所有波长的宽波段辐射。样品室110包含待检查的气体样品以用于特定气体的浓度。进入样品室110的辐射穿过气体样品直到被检测器105检测到。在一些实施例中，源103可以通过薄膜电阻加热元件(即加热器)实现，该薄膜电阻加热元件放置在悬臂上，以便将其与衬底热隔离。电阻元件可以由多晶硅(多晶硅)或其他合适的金属如铂(Pt)制成。优选地，仔细选择加热器材料以确保高温性能。另外，加热元件的热隔离是优选的，以保持源103的热响应时间小，并且使得整个衬底不被加热。另外，悬臂优选地防止加热元件产生的热量过快地排出到衬底。
在一些实施例中，超材料发射器和吸收器允许源103的选择性窄波段发射和检测器105的选择性窄波段吸收。超材料可以由钼(Mo)或其他合适的金属制成。优选地，仔细选择超材料材料以确保高温性能。超材料的特定波长取决于目标气体的吸收光谱，并且通过改变超材料构型可以容易地改变为其他感兴趣的波长。超材料的特定波长可以配置成检测各种气体，包括但不限于CO2、一氧化碳(CO)、氧气(O2)、硫化氢(H2S)、二氧化氮(NO2)、二氧化硫(SO2)等，的浓度和/或存在。例如，中心波长为4.26μm且半峰全宽(FWHM)为约0.1-0.2μm的超材料适合于CO2检测。由于源103和检测器105采用超材料层，因此传感器100有利地不需要任何额外的独立且昂贵的带通滤光片(无滤光片设计)。
示例性实施例中的检测器105可以是对从源到达该检测器的辐射的相应强度变化产生可变电响应的任何器件。在测量红外辐射时，可以使用任何检测器：热电堆、热电偶、热电物质和辐射热测量计。然而，热电堆检测器可能有利于红外辐射的检测。热电堆对由入射在其上的辐射引起的温度变化作出响应，从而将辐射转换成电能。
在一些实施例中，样品室110是扩散型气体样品室。因此，不需要泵来将气体样品推入或拉入样品室110中。在一些实施例中，形成腔室110的波导的两个端部用作使气体扩散进出样品室110的孔。孔可以具有各种形状和尺寸。例如，20μm或更大的孔尺寸允许气体足够快地扩散穿过该孔，使得对周围空气的组成变化的响应可以在组成发生变化后约10s内被记录。此外，希望防止灰尘和烟雾颗粒进入样品室110。因此，在一些实施例中，孔可以用气体半渗透膜覆盖，该气体半渗透膜优选地阻挡尺寸大于约0.1μm的颗粒在其外。气体半透膜可以是可以通过蒸发或溅射沉积的介电层。氧化硅、氮化硅、特氟隆(Teflon)和卡普顿(Kapton)是适用于此目的的电介质，优选地，介电层是氧化硅或氮化硅。为了便于组装，优选样品室110具有正方形或矩形横截面，然而，在不同实施例中可以使用其他形状，例如圆形或三角形波导。
在一些实施例中，形成腔室110的圆形波导管的内表面被金属化，以便提高传感器的效率。可以使用各种不同的金属化来增加内表面的反射率，包括铝(Al)、金(Au)、铬(Cr)、镍(Ni)和铂(Pt)。这些金属中的每一种可以使用气相沉积或电镀沉积在波导的内表面上，或者直接通过附着薄金属膜而沉积在波导的内表面上。
在一些实施例中，ASIC112的源驱动器通过占空比电流来激励源103。驱动器包括用于驱动源103的电路，并且优选地包括用于校准源103的温度的反馈回路。在来自源103的辐射到达检测器105之后，后者产生电信号，该电信号表示落在其上的辐射强度。该信号与检测到的气体量成反比。例如，如果检测到CO2，则样品室110中的CO2越多，撞击检测器105的红外能量将越弱。
在一些实施例中，ASIC112的模拟接口和数字处理电子器件对由检测器105产生的电信号进行处理，从而提供目标气体的浓度并补偿环境变化。因此，如本领域所理解的，处理电子器件的信号输出可以应用于仪表或警报器。在另一实施例中，ASIC112的模拟接口和数字处理电子器件也可以与源103耦合。源驱动器、模拟接口和数字处理电子器件在例如同一保持器IC106上的硅ASIC112中实现。由检测器105产生的信号可以是响应于某种气体浓度(或气体混合物)的时变响应，其取决于若干因素，例如：传感器的类型，气体的性质和浓度，气体与传感器组件的反应以及环境条件。这些要素连同检测器105的固有噪声一起给出随时间的不稳定的响应，因此双光束器件通常减轻这些缺陷，参考光束充当用于随时间检测气体种类的参考。然而，这将显著增加传感器100的成本和尺寸。尽管如此，适当的信号处理算法可以通过从传感器响应中提取有用信息并准确地预测相关的气体浓度，利用单个光束传感器(无滤光片设计)100来减轻上述缺陷。此外，通常通过保存传感器响应的静态(稳态)值并忽略可能带来有益信息的动态(瞬态)值来执行来自检测器105的数据采集。虽然稳态方法适用于某些应用，但最近的研究表明，动态响应包含有用信息，包括取决于传感器类型和组件以及气体性质和浓度的传感器的热行为。源103通常不是连续操作的，而是以特定频率脉冲，以减少传感器100的使用并降低总功耗(即，延长其寿命)。在传统方法中，达到热稳定状态的90％所需的时间所规定的响应时间通常为几秒或甚至更长。因此，测量的气体浓度仅在响应时间之后可用，这意味着每次测量的能量消耗更大。与基于稳态分析的传统慢速方法相比，瞬态分析方法可以减少气体浓度升高与其检测之间的延迟。因此，瞬态分析可以实现真正的实时感应，以及因此在过量的气体浓度发生之前，对时变(和潜在危险)的环境条件的快速响应。此外，通过分配适当的测量时间来实现所需的精度，瞬态分析使得每次测量的低能耗和可扩展的能量精度权衡成为可能。已经提出了ASIC112的若干快速电路和硬件解决方案以减少响应时间，尽管以更高的传感器成本和/或更大的尺寸为代价。另一方面，通过ASIC112的信号处理算法对瞬态传感器响应的分析表示实现实时感应的更好且成本有效的选择。ASIC112的信号处理单元通过实时信号处理算法对瞬态采样的传感器响应进行处理，以便推导出气体浓度。可以将各种特征添加到ASIC112的信号处理单元，以提高算法对环境，包括环境温度、压力、RH、辐射源温度以及其他因素，的波动的鲁棒性。ASIC112的各种信号处理算法可用于根据瞬态采样传感器响应来预测气体浓度。一些非详尽的示例包括普通最小二乘回归(OLS)、多元线性回归(MLR)、主成分回归(PCR)、偏最小二乘回归(PLS)、岭回归(RR)、套索回归(Lasso)、多元自适应回归样条(MARS)、逐步回归(SR)、非线性回归等等。此外，可以使用分类技术，如线性判别分析(LDA)、逻辑回归(LR)、分类和回归树(CART)、高斯混合模型(GMM)、k-最近邻(k-NNs)分类、人工神经网络(ANNs)、支持向量机(SVM)、偏最小二乘判别分析(PLS-DA)、多层感知器分类器(MLP)、径向基函数(RBF)等。其他可能的示例包括特征提取技术，例如遗传算法(GA)、特征子集选择(FSS)、顺序前向选择(SFS)、顺序后向选择(SBS)、最佳子集回归等。
由于在一些实施例中的扩散型气体样品室110，如果环境温度充分下降，则空气(水蒸气)或其他气体的冷凝可以以沉积在气体样品室的内壁上的小液滴的形式发生。这会干扰形成腔室110的波导的运行所需的内部反射率，从而导致错误的结果。根据一些实施例的解决方案是将薄膜电阻型加热器和电阻温度检测器(RTD)添加到形成腔室110的光波导的侧壁。加热器和RTD可以连接到温度控制电路，以将样品室110保持在设定的温度。与源驱动器、模拟接口和数字处理电子器件一起，在一些实施例中，温度控制电路可以集成在同一保持器IC上的硅ASIC112内。
为了增强根据本发明的一些实施例的NDIR气体传感器的性能，可以在任何合适的情况，例如温度、压力和RH传感器，添加其他半导体IC/MEMS传感器。例如，在一些实施例中，温度传感器可以通过MEMS电阻加热器实现，该MEMS电阻加热器靠近主源加热器放置。由于温度传感器和源都经受相同的温度，温度传感器可用于检测加热器温度，然后将该特征传递给反馈回路电路，该反馈回路电路将相应地调节加热器电流以保持加热器温度(和功率))不变。作为另一个示例，在一些实施例中，可以添加微流量传感器以检测样品气体在样品室上的流速。在一些实施例中，来自这些设备的输出可以连接到硅ASIC内的电子器件。
本发明的一些实施例还可以用于通过使用具有不同发射和吸收波长的超材料同时确定多个气体浓度，以及通过分类和/或回归学习技术处理检测器输出信号。即使使用具有单个检测器的单光束器件，这些方法也可以优选地识别多种气体。
本发明的实施例可以链接到与多个其他气体传感器相连接的WSN。
在一实施例中，提供了一种气体传感器，包括：第一微机电系统(MEMS)管芯，其包括光源；第二MEMS管芯，其包括光检测器；样品室，其设置在光源和光检测器之间的光路中；以及保持器衬底。其中，第一和第二MEMS管芯相对于保持器衬底的垂直方向上被设置在保持器衬底上，并且样品室在其间横向设置。
光检测器可包括：一个或多个转换元件，其用于将温度变化转换成电信号；一个或多个第一超材料元件，其用于热耦合到所述转换元件中的相应转换元件，且所述第一超材料元件被构造成在光源发射的一个或多个波长处选择性吸收；以及用于将在一个或多个波长处的吸收变化转换成可变电响应的装置。
气体传感器可以进一步包括分别用于第一和第二管芯的真空级薄膜封装，以用于光源和光检测器与气体样品的热隔离。
光源可包括一个或多个加热器元件以及一个或多个第二超材料元件，所述第二超材料元件热耦合到所述加热器元件中的相应加热器元件，所述第二超材料元件被构造成在一个或多个波长处发射。
气体传感器可以进一步包括处理电路，该处理电路至少具有用于驱动光源的源驱动器和耦合到光检测器的模拟接口。处理电路可以被集成在保持器衬底上。
样品室可包括波导扩散室。波导扩散室的相对的开口端用作扩散孔。
图10示出了流程图1000，其说明了根据一实施例的一种制造气体传感器的方法。在步骤1002，提供包括光源的第一微机电系统(MEMS)管芯。在步骤1004，提供包括光检测器的第二MEMS管芯。在步骤1006，提供设置在所述光源和所述光检测器之间的光路中的样品室。在步骤1008，提供保持器衬底，其中所述第一MEMS管芯和所述第二MEMS管芯在相对于保持器衬底的垂直方向上被设置在所述保持器衬底上，并且样品室被横向设置在所述第一MEMS管芯和所述第二MEMS管芯之间。
提供光检测器可以包括：提供一个或多个转换元件，用于将温度变化转换成电信号，并将一个或多个第一超材料元件热耦合到所述转换元件中的相应转换元件，第一超材料元件被构造成在由光源发射的一个或多个波长处选择性吸收，以及用于将在一个或多个波长处的吸收变化转换成可变电响应的装置。
该方法可以进一步包括：分别为第一管芯和第二管芯提供真空级薄膜封装，以用于光源和光检测器与气体样品的热隔离。
提供光源可以包括：提供一个或多个加热器元件并将一个或多个第二超材料元件热耦合到所述加热器元件中的相应加热器元件，第二超材料元件被构造成在所述一个或多个波长下发射。
该方法可以进一步包括：提供处理电路，所述处理电路至少具有用于驱动所述光源的源驱动器以及被耦合到所述光检测器的模拟接口。该方法可以包括将处理电路集成在保持器衬底上。
样品室可包括波导扩散室。波导扩散室的相对的开口端用作扩散孔。
应注意，虽然上述实施例在光源和光检测器中使用超材料元件，但是在不同实施例中，本发明也可以在光源和/或光检测器中使用传统的滤光器来实现。
本发明的实施例可以具有以下特征中的一个或多个以及相关的优点：
·集成的单光束NDIR扩散气体传感器，带有MEMS管芯，该MEMS管芯垂直安装在硅保持器IC上并于硅保持器IC上电连接：降低了制造成本，并允许在CMOS兼容工艺中以更低的单位成本实现极小型化。
·真空级薄膜封装的MEMS部件：快速热响应，从而快速检测，因此在单个腔室内每次测量的能耗低：由于不需要进一步的封装从而降低MEMS部件的成本，同时提高产量。
·超材料MEMS发射器和吸收器：允许特定波长的选择性发射和吸收(易于更换)，无需额外的独立带通滤光片(无滤光片设计)。
·采用硅保持器IC设计的硅ASIC：包含源驱动器、模拟接口和数字处理电路，用于校准和补偿传感器并确定气体浓度。
·波导扩散MEMS气体样品室：在单个腔室中简化系统，降低制造成本，无需昂贵的光学元件。
·能量精度可扩展性能：通过简单地增加测量时间，可以利用气体传感器精度(即预测误差)灵活地交换每次测量的能量。
·快速瞬态低能量气体检测系统：瞬态(动态)采集，精确读数，同时避免热稳态(静态)测量所需的传统长时间。
·每次测量的低能耗：快速检测可缩短辐射源的加热时间，从而降低每次测量的能耗。
·延长气体传感器寿命：快速采集过程减少了传感器组件对气体的暴露时间，从而减少了可靠性问题并延长了传感器的使用寿命。
·传感器响应的动态处理：信号处理算法通过减少测量期间传感器噪声的影响来提高准确度。
·对环境变化和辐射源漂移/老化的稳健性：信号处理技术允许传感器自我校准和抑制环境波动和源漂移/老化。
本发明实施例的主要商业应用可包括：
·物联网(IoT)应用
·可穿戴和智能手机系统
·供暖、通风和空调(HVAC)系统
·需求控制通风(DCV)系统
·室内空气质量(IAQ)应用
·气体浓度的非分散红外(NDIR)测量
·分布式CO2传感
·绿色建筑
·红外光谱
·气体检测
·危险气体检测
·材料表征
·火和火焰检测
·辐射计
应注意，虽然上面参考图1至3描述的实施例涉及NDIR气体传感器，但是本发明可以应用于不同类型的基于光发射和光检测的气体传感器，例如光学气体传感器、光谱气体传感器、中红外(IR)气体传感器、中红外(IR)发光二极管(LED)和光电二极管。还应注意，参考图1-3的实施例描述的结构，可以与不同类型的源(例如电阻加热器、薄膜加热器)和检测器(例如热电堆、热电物质、辐射热测量计)一起使用。
在上述实施例中，一个超材料层或多个超材料层有利地包括在气体传感器结构中，以为特定波长提供选择性(即窄带通)发射/吸收。这可以提供无滤光片的气体传感器设计，这反过来可以降低复杂性和/或成本。
在另一方面，本发明的实施例可提供一种微加热器器件。根据一实施例的微加热器器件通常包括如图4所示的四个部分：加热器400(具有支撑臂，例如401，多晶硅加热器线403，以及金属互连件，例如405)；发射器402(具有超材料构型407)、腔404和封装406。
根据一些实施例的微加热器器件是发射宽带辐射的光源。波长可以从可见光延伸到远红外线。辐射的宽波段性质使得这些微加热器器件/源可用于分光光度法和红外信号产生，例如，用于上面参考图1至3描述的传感器的实施例中。在根据一些实施例的微加热器器件中，通过导电线的电流以焦耳加热的方式来加热发射器。发射器将热量转换为光。根据一些实施例的微加热器器件的设计原理可以概括为：1)将热量转换为光的高效发射器。2)消除发射器和Si衬底之间的大部分或全部热损失，包括传导、转换和辐射。唯一的热路径优选为支撑臂。3)支撑臂应优选具有低导热率。
加热器400：多晶硅(多晶硅)可用于加热器400。硅具有一些优点，包括相比金属低得多的导热性。硅减少了通过支撑臂的能量损失。在传统的制造工艺中，介电层位于多晶硅层的正下方以提供绝缘。介电层是除多晶硅层之外的额外的热损耗路径。它还对器件产生残余应力，但除电绝缘外没有任何其他好处。在根据下面描述的一些实施例的工艺流程中，优选地去除该介电层，同时仍然保持器件的良好绝缘。多晶硅还具有比金属更高的电阻率，在一些实施例中，优选地确保大部分焦耳加热发生在除了器件外部的金属互连件之外的加热丝上。
发射器402：在一些实施例中，超材料构型407被设计用于发射器402。超材料构型407可以被设计为仅发射具有特定波长的光，并且在峰值波长中具有100％的发射率。以这种方式，发射器402可以优选地仅发射感兴趣的波长，这对于气体感测应用是一个很大的优点。
腔404：在一些实施例中，在制造微加热器器件500期间，需要释放发射器402和加热器400。通过悬挂发射器402和加热器400的支撑臂，例如401，优选去除主要的热损失机制(通过固体的热传导)。使用本领域中理解的常规方法，可以通过由时间控制的各向同性蚀刻来完成释放步骤。在蚀刻之后，发射器402和加热器400的支撑臂，例如401被完全释放，但负面效应是例如支撑臂，例如401可能被过度释放。在完整的晶片制造中，增加释放时间可以优选地确保释放晶片上的所有器件。根据一些实施例，微加热器器件500可以以更高的密度填充，因为过度释放不会对微加热器器件500产生影响，因为支撑臂，例如401(并且因此加热器400)和腔外部的衬底之间的物理连接是由单独的连接结构形成的，如下面将参考图7更详细地描述的那样。简而言之，由于存在成型为其他功能部件的不可蚀刻层并且这些不可蚀刻层连接到衬底，所以在常规各向同性蚀刻中仅可去除腔内的牺牲材料。因此，根据一些示例性实施例，增加释放时间可以确保腔上的所有器件被完全悬挂，而这些器件在释放后有利地不会从晶片上脱离。
封装406：由于发射器402上的热量通过空气的传导和转化而损失，所以通过将器件封装到真空环境中可以提高器件的性能。本领域中理解的常规真空封装方法使用硅-硅键合。这是一种昂贵的方法，产量不理想。在一些实施例中，晶片级薄膜封装方法优选地取代硅-硅键合方法。在一些实施例中，通过用CMOS兼容工艺单独地封装每个器件，可以降低器件的成本。
根据示例性实施例的微加热器器件500的横截面在图5中示出。如本领域技术人员将理解的，根据基尔霍夫定律，发射是吸收的反向进展，因此超材料发射器可以具有与由底部金属、中间电介质和顶部金属层组成的超材料吸收器完全相同的结构。就超材料吸收器而言，底部金属层阻挡来自透射的光。可以设计顶部超材料和中间介电层以实现介电常数和磁导率的特定值，以实现与自由空间匹配的阻抗，从而获得吸收谐振。中间介电层还用于包含和限制谐振并减少能量损失。该结构被设计用于完美吸收，即在特定波长下的完美发射，优选地在低功耗下实现系统的高信噪比。
下面参考图6来描述制造微加热器器件500的工艺流程。该工艺从Si晶片502开始。首先在硅(Si)晶片502上蚀刻深至2μm的腔504。在整个晶片502上沉积厚度大于2μm的二氧化硅(SiO2)层506，然后通过化学机械抛光(CMP)使SiO2层506平坦化，如图6a)所示。沉积多晶硅层508，然后将其掺杂为N型或P型多晶硅，如图6b)所示。用SiO2硬质掩模蚀刻多晶硅层508以形成支撑臂和加热丝，一起用数字510表示。多晶硅臂仅位于SiO2腔504内，而没有与Si衬底502的任何物理连接，如图6c)所示。沉积氧化铝(Al2O3)512，该层512用作绝缘层，以之后用于金属互连件。Al2O3层512也是支撑臂510和Si衬底502之间的物理连接件，以及臂510和超材料发射器之间的物理连接件。在Al2O3层512上开设通孔514，以允许与多晶硅508形成电互连，如图6d)所示。沉积并蚀刻钼金属(Mo)516。该金属层516用作多晶硅臂510之间的互连件，并且也是超材料结构的底层，参见图6e)。沉积另一层电介质518和另一层金属520，并蚀刻金属层520以形成超材料发射器结构的顶层的超材料构型，其中介电层518的一部分形成超材料的中间电介质吸收器，如图6f)所示。在多晶硅臂510上方选择性地去除Al2O3，并且还形成发射器521的形状，如图6g)所示。沉积一层厚的SiO2522并使其平坦化。蚀刻SiO2522并将SiO2522留在器件上方，如图6h)所示。沉积氮化铝(AlN)524以密封器件，如图6i)所示。在AlN层524上，蚀刻释放孔526。进行蒸汽氢氟酸释放以悬挂发射器521和臂510。该器件再次用另一层SiO2528密封，如图6j)所示。电接触垫(未示出)打开并形成在封装之外。
在另一方面，本发明的实施例可提供热电堆器件。热电堆器件通常包括如图7所示的四个部分：热电偶700(具有P型多晶硅，例如701，以及N型多晶硅，例如703)，以及金属互连件，例如705，吸收器702(具有超材料构型707)，腔704以及封装706。
热电偶700：在一些实施例中，多晶硅用于热电材料，因为它具有一些优点，例如：高塞贝克系数、CMOS兼容工艺、易于形成N型和P型材料、低残余应力。在本领域中理解的传统制造工艺中，介电层位于多晶硅层的正下方以提供绝缘。介电层是除多晶硅层之外的额外的热损耗路径，其降低热端和冷端的温差，并且对器件产生残余应力，但除了绝缘之外没有任何其他好处。在根据下面描述的一些实施例的工艺流程中，优选地去除该介电层，同时仍然保持器件的良好绝缘。
吸收器702：在一些实施例中，超吸收剂702被设计用于吸收器702。超材料可以被设计为仅吸收具有特定波长的光，并且在峰值波长中具有100％的吸收率。以这种方式，吸收器702可以优选地仅响应于感兴趣的波长。
腔704：在一些实施例中，在制造热电堆器件期间，需要释放吸收器702和热电偶700。通过悬挂吸收器702和热电偶700，优选地去除主要的热损失机制(通过固体的热传导)。使用本领域中理解的常规方法，可以通过由时间控制的各向同性蚀刻来完成释放步骤。在蚀刻之后，吸收器702和热电偶700被完全释放，但是负面效应是热电偶700的冷端可能被过度释放并且不紧密地连接到衬底。然后温度梯度不会完全落在热电偶700上，并且输出电压将降低。腔704的设置优选地确保冷端在设计时连接到衬底并且增加释放时间的容差。在完整的晶片制造中，增加释放时间可以优选地确保释放晶片上的所有器件被释放。
封装706：由于吸收器702上的热量通过空气的传导和传统而损失，因此通过将器件封装到真空环境中可以增强器件的性能。本领域中理解的常规真空封装方法使用硅-硅键合。这是一种昂贵的方法，产量不理想。在一些实施例中，晶片级薄膜封装方法优选地取代硅-硅键合方法。在一些实施例中，通过用CMOS兼容工艺单独地封装每个器件，可以降低器件的成本。
根据示例性实施例的热电堆器件800的横截面在图8中示出。如本领域技术人员将理解的，就超材料吸收器而言，底部金属层阻挡来自透射的光。可以设计顶部超材料和中间介电层以实现介电常数和磁导率的特定值，以实现与自由空间匹配的阻抗，从而获得吸收谐振。中间介电层还用于包含和限制谐振并减少能量损失。该结构被设计用于完美吸收，即在特定波长下的完美发射，优选地在低功耗下实现系统的高信噪比。
下面的图9中描述了制造热电堆器件800的工艺流程。该工艺从Si晶片802开始。首先在Si晶片802上蚀刻深至2μm的腔804。在整个晶片802上沉积SiO2层806(大于2μm)，然后通过化学机械抛光(CMP)使SiO2806平坦化，如图9a)所示。沉积多晶硅层808，然后将其掺杂为N型和P型多晶硅809、811，进一步重掺杂设计用于电接触的区域以实现与金属的低接触电阻，如图9b)所示。用SiO2硬质掩模813蚀刻多晶硅层808，以形成N型和P型臂810、815。多晶硅臂810、815仅位于SiO2腔804的周界内，而没有与Si衬底802的任何物理连接，如图9c)所示。沉积Al2O3812，该层812用作绝缘层，以之后用于金属互连件。Al2O3层812也是热电偶的臂810、815与Si衬底802之间的物理连接件，以及臂810、815和超材料吸收器之间的物理连接件，形成用于超材料吸收器结构的载体817。在Al2O3层812上开设通孔814，以允许与重掺杂多晶硅810、815形成电互连，如图9d)所示。沉积并蚀刻金属(Mo)816。该金属层816用作多晶硅臂810,815之间的互连件，并且也是超材料吸收器结构的底层，参见图9e)。沉积另一层电介质818和另一层金属820，并且蚀刻金属层820以形成用于超材料吸收器结构的顶层的超材料构型，其中电介质层818的一部分形成超材料的中间电介质吸收器，如图9f)所示。在多晶硅臂810、815上方选择性地去除Al2O3818，并且还形成吸收器821的形状，如图9g)所示。沉积一层厚的SiO2822层并使其平坦化。蚀刻SiO2822并将SiO2822留在器件上方，如图9h)所示。沉积AlN824以密封器件，如图9i)所示。在AlN层824上，蚀刻释放孔826。进行蒸汽氢氟酸释放以悬挂吸收器821和臂810、815。再用另一层SiO2828密封器件，如图9j)所示。电接触垫(未示出)打开并形成在封装之外。
在上述实施例中，有利地包括超材料层以为特定波长提供选择性(即窄带通)发射/吸收。包含由上述实施例中使用的Mo-AlN-Mo制成的组合物的超材料层是额外有利的，有希望的低热应力和快速热响应。
图11示出了流程图1100，其示出了根据一实施例的一种制造用于加热器或热电堆的微机电系统(MEMS)管芯的方法。在步骤1102，提供支撑结构。在步骤1104，在支所述撑结构上设置一个或多个超材料元件。在步骤1006，将设置有所述一个或多个超材料元件的所述支撑结构悬挂在整个腔上。在步骤1008，提供晶片级薄膜封装以用于MEMS管芯的真空封装。
所述方法可以包括，通过从形成于衬底内的凹槽中去除牺牲材料，形成所述腔，所述衬底由不同于所述牺牲材料的材料制成。支撑结构可以形成在腔的周界内；并且该方法进一步包括：在支撑结构和衬底之间的外围间隙上形成衬底和支撑结构之间的物理连接件。物理互连件可以包括到支撑结构的金属互连件以及用于金属互连件的绝缘层。
提供晶片级薄膜封装可以包括使用互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容工艺。
MEMS管芯可以用于加热器，并且一个或多个超材料元件可以用作一个或多个波长的发射器。提供支撑结构可以包括：形成支撑结构的加热丝和支撑臂部分，其中，超材料元件可以形成在加热丝部分上。
MEMS结构可以用于热电堆，并且一个或多个超材料元件可以用作一个或多个波长的吸收器。提供支撑结构可以包括：形成支撑结构的热电偶和载体部分，其中超材料元件可以形成在载体部分上。热电偶部分可以围绕载体部分。
在一实施例中，提供了一种用于加热器或热电堆的微机电系统(MEMS)管芯，该MEMS管芯包括：支撑结构；支撑结构上的一个或多个超材料元件，带有一个或多个超材料元件的支撑结构横跨腔；以及用于MEMS管芯的真空封装的晶片级薄膜封装。
可以通过从形成于衬底内的凹槽中去除牺牲材料，形成所述腔，所述衬底由不同于所述牺牲材料的材料制成。支撑结构可以形成在腔的周界内，并且MEMS管芯可以进一步包括：在支撑结构和衬底之间的外围间隙上形成衬底和支撑结构之间的物理连接件。物理互连件可以包括到支撑结构的金属互连件和用于金属互连件的绝缘层。
可以使用互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容工艺来形成晶片级薄膜封装。
MEMS管芯可以用于加热器，并且一个或多个超材料元件可以用作一个或多个波长的发射器。支撑结构可包括加热丝和支撑臂部分，其中，超材料元件可形成在加热丝部分上。
MEMS结构可以用于热电堆，并且一个或多个超材料元件用作一个或多个波长的吸收器。支撑结构可以包括热电偶和载体部分，其中，超材料元件可以形成在载体部分上。热电偶部分可以围绕载体部分。
微加热器器件的实施例可具有以下特征和相关优点中的一个或多个：
无介电支撑臂以降低功耗，消除由介电层引起的残余应力；
微型加热器下方的腔以防止过度释放，从而提高性能和良率；
用于微加热器的超材料发射器表面涂层，以获得波长选择性发射；
真空级封装，以提高性能并大大降低制造成本。
热电堆器件的实施例可具有以下特征中的一个或多个以及相关的优点：
无电介质热电偶，它将增加输出电压并消除释放结构中介电层引起的残余应力。
热电堆下方的腔可防止过度释放，从而提高器件性能和制造产量；
超材料吸收剂，为特定波长提供选择性吸收；
真空级封装，以提高器件性能并大幅降低制造成本。
本发明该方面的实施例的商业应用可包括：
物联网(IoT)应用程序
可穿戴和智能手机系统
供暖、通风和空调(HVAC)系统
需求控制通风(DCV)系统
室内空气质量(IAQ)应用
气体浓度的非分散红外(NDIR)测量
非接触式温度测量
半导体过程监控器
分布式CO2感应
绿色建筑
红外光谱
气体检测
危险气体检测
材料表征
火和火焰检测
辐射计
本文公开的各种功能或过程可以被描述为在各种计算机可读介质中体现的数据和/或指令，就其行为、寄存器传输、逻辑组件、晶体管、布局几何形状和/或其他特性而言。其中可以实现这种格式化数据和/或指令的计算机可读介质包括，但不限于，各种形式的非易失性存储介质(例如，光学、磁性或半导体存储介质)以及可通过无线、光学或有线信号介质或其任何组合来传送这种格式化数据和/或指令的载波。通过载波传输这种格式化数据和/或指令的示例包括，但不限于，经由一个或多个数据传输协议(例如，HTTP、FTP、SMTP等)在因特网和/或其他计算机网络上的传输(上载、下载、电子邮件等)。当经由一个或多个计算机可读介质在计算机系统内接收时，所描述的系统下的组件和/或过程的这种数据和/或基于指令的表达可以由内部的处理实体(例如，一个或多个处理器)处理。计算机系统与一个或多个其他计算机程序的执行相结合。
本文描述的系统和方法的各方面可以实现为编程到各种电路中的任何一种的功能，包括可编程逻辑器件(PLD)，例如现场可编程门阵列(FPGA)，可编程阵列逻辑(PAL)器件，电可编程逻辑和存储器件，基于标准单元的器件，以及专用集成电路(ASICs)。实现系统方面的一些其他可能性包括：具有存储器的微控制器(例如电可擦除可编程只读存储器(EEPROM))、嵌入式微处理器、固件、软件等。此外，系统的各方面可以体现在具有基于软件的电路仿真、离散逻辑(顺序和组合)、定制设备、模糊(神经)逻辑、量子设备和任何上述设备类型的混合的微处理器中。当然，可以以各种组件类型提供底层设备技术，例如，诸如互补金属氧化物半导体(CMOS)的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)技术，诸如发射器耦合逻辑(ECL)的双极技术，聚合物技术(如硅共轭聚合物和金属共轭聚合物-金属结构)，混合模拟和数字等。
除非上下文另有明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”等应理解为包含性的意义，而不是排他性或穷举性的意义；也就是说，“包括但不限于”的意义。使用单数或复数的词也分别包括复数或单数。另外，词语“此处”、“下文”，“上述”、“下述”和类似含义的词语在本申请中作为整体而不是指本申请的任何特定部分。当单词“或”用于引用两个或多个对象的列表时，该单词涵盖该单词的所有以下解释：列表中的任何对象，列表中的所有对象以及任何组合列表中的对象。
以上对系统和方法的所示实施例的描述并非旨在穷举或将系统和方法限制于所公开的精确形式。尽管出于说明性目的在本文中描述了系统组件和方法的特定实施例和示例，但是如相关领域的技术人员将认识到的，在系统、组件和方法的范围内可以进行各种等效修改。本文提供的系统和方法的教导可以应用于其他处理系统和方法，而不仅仅适用于上述系统和方法。
可以组合上述各种实施例的元件和动作以提供进一步的实施例。根据以上详细描述，可以对系统和方法进行这些和其他改变。
通常，在以下权利要求中，所使用的术语不应被解释为将系统和方法限制于说明书和权利要求中公开的特定实施例，而应被解释为包括在权利要求下操作的所有处理系统。因此，系统和方法不受本公开的限制，而是系统和方法的范围完全由权利要求确定。

Claims (36)

1.一种气体传感器，包括：
第一微机电系统(MEMS)管芯，其包括光源；
第二MEMS管芯，其包括光检测器；
样品室，其设置在所述光源和所述光检测器之间的光路中；以及
保持器衬底；
其中，所述第一MEMS管芯和所述第二MEMS管芯在相对于所述保持器衬底的垂直方向上被设置在所述保持器衬底上，并且所述样品室在所述第一MEMS管芯和所述第二MEMS管芯之间横向设置。
2.根据权利要求1所述的气体传感器，其中，所述光检测器包括：
一个或多个转换元件，其用于将温度变化转换成电信号；以及
一个或多个第一超材料元件，其用于热耦合到所述转换元件中的相应转换元件，
所述第一超材料元件被构造成在光源发射的一个或多个波长处选择性吸收；以及
用于将在一个或多个波长处的吸收变化转换成可变电响应的装置。
3.根据权利要求1或2所述的气体传感器，进一步包括：分别用于所述第一管芯和所述第二管芯的真空水平薄膜封装，其用于所述光源和所述光检测器与气体样品的热隔离。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的气体传感器，其中，所述光源包括一个或多个加热器元件以及一个或多个第二超材料元件，所述第二超材料元件热耦合到所述加热器元件中的相应加热器元件，所述第二超材料元件被构造成在一个或多个波长处发射。
5.根据权利要求1至4所述的气体传感器，进一步包括处理电路，所述处理电路至少具有用于驱动所述光源的源驱动器和耦合到所述光检测器的模拟接口。
6.根据权利要求5所述的气体传感器，其中，所述处理电路被集成在所述保持器衬底上。
7.根据权利要求1至6所述的气体传感器，其中，所述样品室包括波导扩散室。
8.根据权利要求7所述的气体传感器，其中，所述波导扩散腔室的相对的开口端用作扩散孔。
9.一种制造气体传感器的方法，包括步骤：
提供包括光源的第一微机电系统(MEMS)管芯；
提供包括光检测器的第二MEMS管芯；
提供设置在所述光源和所述光检测器之间的光路中的样品室；并
提供保持器衬底；
其中，所述第一MEMS管芯和所述第二MEMS管芯在相对于保持器衬底的垂直方向上被设置在所述保持器衬底上，并且所述样品室被横向设置在所述第一MEMS管芯和所述第二MEMS管芯之间。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，提供所述光检测器包括：
提供一个或多个转换元件，用于将温度变化转换为电信号，并
将一个或多个第一超材料元件热耦合到所述转换元件中的相应转换元件，
所述第一超材料元件被构造成在由所述光源发射的一个或多个波长处的选择性吸收，以及
用于将在一个或多个波长处的吸收的变化转换成可变电响应的装置。
11.根据权利要求9或10所述的方法，进一步包括：分别为所述第一管芯和第二管芯提供真空级薄膜封装，以用于所述光源和所述光检测器与气体样品的热隔离。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中，提供所述光源包括：提供一个或多个加热器元件并将一个或多个第二超材料元件热耦合到所述加热器元件中的相应加热器元件，所述第二超材料元件被构造成在所述一个或多个波长下发射。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，进一步包括：提供处理电路，所述处理电路至少具有用于驱动所述光源的源驱动器以及被耦合到所述光检测器的模拟接口。
14.根据权利要求13所述的方法，包括将所述处理电路集成在所述保持器衬底上。
15.根据权利要求9-14中任一项所述的方法，其中，所述样品室包括波导扩散室。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述波导扩散腔室的相对的开口端用作扩散孔。
17.一种制造用于加热器或热电堆的微机电系统(MEMS)管芯的方法，所述方法包括：
提供支撑结构；
在所述支撑结构上设置一个或多个超材料元件；
将设置有所述一个或多个超材料元件的所述支撑结构悬挂在整个腔上；以及
提供晶片级薄膜封装，以用于所述MEMS管芯的真空封装。
18.根据权利要求17所述的方法，包括：通过从形成于衬底内的凹槽中去除牺牲材料，形成所述腔，所述衬底由不同于所述牺牲材料的材料制成。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述支撑结构形成在所述腔的周界内；并且所述方法进一步包括：在所述支撑结构和所述衬底之间的外围间隙上形成所述衬底和所述支撑结构之间的物理连接件。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述物理互连件包括：到所述支撑结构的金属互连件，以及用于所述金属互连件的绝缘层。
21.根据权利要求17至20中任一项所述的方法，其中，提供所述晶片级薄膜封装包括：使用互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容工艺。
22.根据权利要求17至21中任一项所述的方法，其中，所述MEMS管芯用于所述加热器，并且所述一个或多个超材料元件用作一个或多个波长的发射器。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，提供所述支撑结构包括：形成所述支撑结构的加热丝和支撑臂部分，其中，所述超材料元件形成在所述加热丝部分上。
24.根据权利要求17至21中任一项所述的方法，其中，所述MEMS结构用于所述热电堆，并且所述一个或多个超材料元件用作一个或多个波长的吸收器。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，提供所述支撑结构：包括形成所述支撑结构的热电偶和载体部分，其中所述超材料元件形成在所述载体部分上。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述热电偶部分围绕所述载体部分。
27.一种用于加热器或热电堆的微机电系统(MEMS)管芯，所述MEMS管芯包括：
支撑结构；
所述支撑结构上的一个或多个超材料元件；
其中，带有所述一个或多个超材料元件的所述支撑结构横跨腔；以及
用于所述MEMS管芯的真空封装的晶片级薄膜封装。
28.根据权利要求27所述的MEMS管芯，其中，通过从形成于衬底内的凹槽中去除牺牲材料，形成所述腔，所述衬底由不同于所述牺牲材料的材料制成。
29.根据权利要求28所述的MEMS管芯，其中，所述支撑结构形成在所述腔的周界内，并且
所述MEMS管芯进一步包括：在所述支撑结构和所述衬底之间的外围间隙上形成所述衬底和所述支撑结构之间的所述物理连接件。
30.根据权利要求29所述的MEMS管芯，其中，所述物理互连件包括到所述支撑结构的金属互连件以及用于所述金属互连件的绝缘层。
31.根据权利要求27至30中任一项所述的MEMS管芯，其中，使用互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容工艺形成所述晶片级薄膜封装。
32.根据权利要求27至31中任一项所述的MEMS管芯，其中，所述MEMS管芯用于所述加热器，并且所述一个或多个超材料元件用作一个或多个波长的发射器。
33.根据权利要求32所述的MEMS管芯，其中，所述支撑结构包括加热丝和支撑臂部分，其中，所述超材料元件形成在所述加热丝部分上。
34.根据权利要求27至31中任一项所述的MEMS管芯，其中，所述MEMS结构用于所述热电堆，并且所述一个或多个超材料元件用作一个或多个波长的吸收器。
35.根据权利要求34所述的MEMS管芯，其中，所述支撑结构包括热电偶和载体部分，其中所述超材料元件形成在所述载体部分上。
36.根据权利要求35所述的MEMS管芯，其中，所述热电偶部分围绕所述载体部分。
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