CN110687065A - 一种红外光源的制备方法及一种红外气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种红外光源的制备方法及一种红外气体传感器，该红外光源的制备方法包括以下步骤：制备加热器，加热器包括硅衬底、支撑膜和加热电阻层，支撑膜和加热电阻层依次沉积在硅衬底上；绝缘层沉积在加热电阻层上；制备辐射波长控制结构，辐射波长控制结构包括金属反射层、介质层和周期性纳米金属层，金属反射层、介质层和周期性纳米金属层依次沉积在绝缘层上。红外光源为窄带红外光源，窄带红外光源通过调整超材料结构和尺寸能够辐射中心波长3μm‑9μm的窄带红外光，窄带红外光的半高宽不大于220nm；该红外气体传感器采用上述红外光源的制备方法所制备的红外光源，如此，大大减小了红外气体传感器的体积，有利于实现红外气体传感器的微小型化。
Description
技术领域
本申请涉及气体传感器技术领域，特别涉及一种红外光源的制备方法及一种红外气体传感器。
背景技术
随着物联网技术的发展，气体检测领域感知端对气体传感器需求的逐渐增加，红外气体传感器以其高精度、高稳定性等特点受到了人们的广泛关注。
目前红外气体传感器的主流方案为由宽带红外光源、光学气室、窄带滤光片、探测器芯片和相关电路模块构成，为提高红外气体传感器的可集成度，人们从光学气室着手进行了多种设计。典型设计如：CN 101592601 B公布了一种高效小体积红外气体传感器，该发明气室采用上下两个球面反射镜组成的准光学谐振腔设计，使光源与探测器经多次光路折叠后符合成像关系，基本满足小体积长光程的要求，提高了光信号的信噪比；CN 104359850B公布了一种基于三椭球体吸收腔室结构的红外气体传感器，该发明气室采用三椭球体封装一体化结构，在促使气室小型化的同时，不仅增加了气室腔内的光路反射光程和增强了聚焦光强，提高了光信号的信噪比，而且降低了光线的分散性，提高了光源的利用率；CN109470644 A公布了一种紧凑型红外光学气体吸收池及红外气体传感器，该发明在气室上下盖上设置6个反射面在较小的体积内实现了较长的光程。
以上专利气室结构设计精巧，实现了小体积长光程，但是传统宽谱红外光源及窄带滤光片组合设计，使得进一步减小红外气体传感器的体积变的非常困难。
发明内容
本申请要解决是红外气体传感器体积较大的技术问题。
为解决上述技术问题，本申请实施例一方面公开了一种红外光源的制备方法，包括以下步骤：
制备加热器，加热器包括硅衬底、支撑膜和加热电阻层，支撑膜和加热电阻层依次沉积在硅衬底上；
所述绝缘层沉积在加热电阻层上；
制备辐射波长控制结构，所述辐射波长控制结构为超材料，所述超材料包括金属反射层、介质层和周期性纳米金属层，金属反射层、介质层和周期性纳米金属层依次沉积在绝缘层上；
所述红外光源为窄带红外光源，所述窄带红外光源通过调整超材料结构和尺寸能够辐射中心波长3μm-9μm的窄带红外光，所述窄带红外光的半高宽不大于220nm。
进一步地，支撑膜包括SiO2膜、Si3N4膜、或SiO2/Si3N4复合膜中的任意一项；加热电阻层包括Pt层；
绝缘层包括SiO2层或Si3N4层中的任意一项；
金属反射层包括Au、Ag或Al层中的任意一项,介质层包括SiO2层、Si3N4层、或SiO2/Si3N4复合层中的任意一项；周期性纳米金属层包括Au、Ag或Al层中的任意一项。
本申请实施例还公开一种红外气体传感器，包括上述红外光源的制备方法所制备的红外光源。
进一步地，红外气体传感器还包括光学气室、探测器和电路模块；
红外光源设于光学气室的一端，探测器设于光学气室的另一端；
红外光源能够发出红外光，红外光经光学气室传播能够到达探测器的表面；
红外光源和探测器分别与电路模块电性连接。
进一步地，光学气室采用微纳加工工艺制作。
进一步地，探测器包括探测器芯片和挡光片。
进一步地，探测器芯片为热电型探测器芯片或光电型探测器芯片，挡光片的透光范围为3μm-9μm。
进一步地，红外光源、光学气室、探测器和电路模块为混合集成。
采用上述技术方案，本申请具有如下有益效果：
本发明提供的红外光源制备方法由加热器和进行辐射波长控制的超材料层叠而成，通过微调超材料结构和尺寸可以辐射出中心波长3μm-9μm的窄带红外光；红外气体传感器的红外光源采用此制备方法，光学气室采用微纳加工工艺制作，大大减小了红外气体传感器的体积，有利于实现红外气体传感器的微小型化，方便检测仪器的集成，可广泛应用于多种场合下气体的实时监测。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的红外光源的结构示意图；
图2为申请实施例提供的红外气体传感器的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的探测器的剖面结构示意图；
图4为本申请实施例提供的光学气室的结构示意图；
以下对附图作补充说明：
1-硅衬底；2-支撑膜；3-加热电阻层；4-绝缘层；5-金属反射层；6--介质层；7-周期性纳米金属层；8-红外光源；9-光学气室；10-探测器；11-电路模块。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
请参见图1，图1为本申请实施例红外光源的结构示意图，该红外光源的制备方法包括以下步骤：
制备加热器，加热器包括硅衬底1、支撑膜2和加热电阻层3，支撑膜2和加热电阻层3依次沉积在硅衬底1上；
在加热电阻层3上沉积绝缘层4；
制备辐射波长控制结构，所述辐射波长控制结构为超材料，所述超材料包括金属反射层5、介质层6和周期性纳米金属层7，金属反射层5、介质层6和周期性纳米金属层7依次沉积在绝缘层4上；
该红外光源8为窄带红外光源，通过调控辐射波长控制结构的尺寸和结构能够辐射中心波长为3μm-9μm的红外光，红外光的半带宽不大于220nm。
本申请实施例中，支撑膜2可以为SiO2膜，可选的，支撑膜2也可以为Si3N4膜或SiO2/Si3N4复合膜中的任意一项；加热电阻层3可以为Pt层；
绝缘层4可以为SiO2层，可选的，绝缘层4也可以为Si3N4层；
金属反射层5可以为Au、Ag或Al层中的任意一项,介质层6可以为SiO2层、Si3N4层或SiO2/Si3N4复合层中的任意一项；周期性纳米金属层7可以为Au、Ag或Al层中的任意一项。
本申请实施例中，绝缘层4的厚度为160-200nm；金属反射层5的厚度为90-110nm；介质层6的厚度为160-200nm；周期性纳米金属层7的厚度为180-220nm，周期性纳米金属层7的圆盘直径为1.0-3.0um，阵列周期为5-9um。
本申请实施例还公开一种微型红外气体传感器，包括采用上述红外光源的制备方法所制备的红外光源8，图2为本申请实施例一种红外气体传感器的结构示意图。
如图2所示，微型红外气体传感器还包括光学气室9、探测器10和电路模块11；红外光源8设于光学气室9的一端，探测器10设于光学气室9的另一端；红外光源8能够发出红外光，红外光经光学气室9传播能够到达探测器10的表面。
本申请实施例中，光学气室9采用微纳加工工艺(MEMS)制作。利用光刻、深槽刻蚀等MEMS加工工艺制作出多次反射的气室结构、透气孔及红外光源8和探测器10的安装孔；为提高反射率和抗腐蚀性，气室内部进行镀金处理。
本申请实施例中，电路模块11包括光源控制模块、信号放大模块、信号采集模块、信号处理模块和通讯显示模块。本发明实施例提供的光源控制模块、信号放大模块、信号采集模块、信号处理模块和通讯显示模块在电路板上分区制作。
本申请实施例中，红外光源8和探测器10通过背面电极焊接在电路板上，光学气室9扣合在上面完成光源、探测器10、光学气室9和电路模块11的板级混合集成。红外光源8经光源控制模块调制后发出窄带红外光，经光学气室9传播后到达探测器10表面，探测器10将光信号转化为电信号，经信号放大模块放大后送入信号采集模块，最后到达信号处理模块，进行气体浓度计算，通过通讯显示模块将气体浓度信号显示出来。
本申请实施例中，探测器10包括探测器芯片14和挡光片15。探测器芯片14包括热电型探测器芯片或光电型探测器芯片，挡光片15可以为锗片。图3示出了本申请实施例提供的探测器10的剖面结构示意图，从下往上依次为硅衬底层12、支撑膜层13、热电堆层14和挡光片层15，其中挡光片15和探测器芯片14通过键合等工艺进行圆片级封装。
本申请实施例提供的红外光源8制备方法由加热器和进行辐射波长控制的超材料层叠而成，通过微调超材料结构和尺寸可以辐射出中心波长3μm-9μm的窄带红外光；红外气体传感器的红外光源8采用此制备方法，光学气室9采用微纳加工工艺，大大减小了红外气体传感器的体积，有利于实现红外气体传感器的微小型化，方便检测仪器的集成，可广泛应用于多种场合下气体的实时监测。
基于上文的方案下面举例介绍一种实施方案。
实施例1：
图1示出了本申请实施例1提供的红外光源的结构示意图，图2示出了本申请实施例提供的红外气体传感器的结构示意图，该红外气体传感器主要包括图1所示的红外光源8、光学气室9、探测器10和电路模块11，该红外光源8为窄带红外光源，通过调控辐射波长控制结构的尺寸和结构能够辐射中心波长为3μm-9μm的红外光，红外光的半带宽不大于220nm。
针对SO2气体红外吸收峰在7.3μm，本申请实施例提供的红外光源8的辐射波长控制结构的中心波长为7.3μm，如图1所示，红外光源8主要包括MEMS加热器和辐射波长控制结构。具体制作步骤为：
1、制作MEMS加热器：
(1)在(100)型硅衬底1上生长一层复合Si3N4/SiO2支撑膜2；
(2)在支撑膜2的上面溅射Pt作为加热电阻层3，加热电阻层的阻值不大于50欧姆。
2、在加热电阻层3上沉积一层180nm的SiO2作为绝缘层4。
3、制作辐射波长控制结构(超材料)：
(1)在绝缘层4上面溅射一层厚度为100nm的Au作为反射层；
(2)在Au反射层的上面沉积一层180nm厚的SiO2介质层6；
(3)在SiO2介质层6上面溅射一层200nm厚直径1.6um阵列周期7um的Au圆盘5。
最后利用干法或湿法工艺进行结构释放。
图3示出了本申请实施例提供的探测器10的剖面结构示意图，从下往上依次为硅衬底层12、支撑膜层13、探测器芯片14和挡光片15，其中挡光片15和探测器芯片14通过键合等工艺进行圆片级封装。
图4示出了本申请实施例提供的光学气室9示意图，利用光刻、深槽刻蚀等MEMS加工工艺制作出多次反射的气室结构、透气孔及窄带红外光源8和探测器10的安装孔；为提高反射率和抗腐蚀性，气室内部进行镀金处理。
本申请实施例中，电路模块11包括光源控制模块、信号放大模块、信号采集模块、信号处理模块和通讯显示模块。光源控制模块、信号放大模块、信号采集模块、信号处理模块和通讯显示模块在电路板上分区制作。
本申请实施例提供的窄带红外光源8和热电/光探测器10通过背面电极焊接在电路模块上，实现板级的集成，光学气室9扣合在上面完成光源、探测器10、光学气室9和电路模块11的混合集成。
本申请实施例提供的红外光源8经光源控制模块调制后发出7.3μm波长的窄带红外光，经光学气室9传播后到达热电堆探测器10表面，探测器10将光信号转化为电信号，经信号放大模块放大后送入信号采集模块，最后到达信号处理模块，进行SO2气体浓度计算，通过通讯显示模块将SO2气体浓度信号显示出来。
以上仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种红外光源的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备加热器，所述加热器包括硅衬底(1)、支撑膜(2)和加热电阻层(3)，所述支撑膜(2)和所述加热电阻层(3)依次沉积在所述硅衬底(1)上；
所述绝缘层(4)沉积在加热电阻层上(3)；
制备辐射波长控制结构，所述辐射波长控制结构为超材料，所述超材料包括金属反射层(5)、介质层(6)和周期性纳米金属层(7)，所述金属反射层(5)、所述介质层(6)和所述周期性纳米金属层(7)依次沉积在所述绝缘层(4)上；
所述红外光源(8)为窄带红外光源，所述窄带红外光源通过调整超材料结构和尺寸能够辐射中心波长3μm-9μm的窄带红外光，所述窄带红外光的半高宽不大于220nm。
2.根据权利要求1所述的红外光源的制备方法，其特征在于，所述支撑膜(2)包括SiO2膜、Si3N4膜、或SiO2/Si3N4复合膜中的任意一项；所述加热电阻层(3)包括Pt层；
所述绝缘层(4)包括SiO2层或Si3N4层中的任意一项；
所述金属反射层(5)包括Au、Ag或Al层中的任意一项,所述介质层(6)包括SiO2层、Si3N4层、或SiO2/Si3N4复合层中的任意一项；所述周期性纳米金属层(7)包括Au、Ag或Al层中的任意一项。
3.一种红外气体传感器，其特征在于，包括根据权利要求1-2任意一项所述红外光源的制备方法所制备的红外光源(8)。
4.根据权利要求3所述的红外气体传感器，其特征在于，还包括光学气室(9)、探测器(10)和电路模块(11)；
所述红外光源(8)设于所述光学气室(9)的一端，所述探测器(10)设于所述光学气室(9)的另一端；
所述红外光源(8)和所述探测器(10)分别与所述电路模块(11)电性连接。
5.根据权利要求4所述的红外气体传感器，其特征在于，所述光学气室(9)采用微纳加工工艺制作。
6.根据权利要求5所述的红外气体传感器，其特征在于，所述探测器(10)包括探测器芯片(14)和挡光片(15)。
7.根据权利要求6所述的红外气体传感器，其特征在于，所述探测器芯片(14)为热电型探测器芯片或光电型探测器芯片，所述挡光片(15)的透光范围为3μm-9μm。
8.根据权利要求7所述的红外气体传感器，其特征在于，所述红外光源(8)、所述光学气室(9)、所述探测器(10)和所述电路模块(11)为混合集成。
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