CN113484267A - 一种基于硅基多次反射腔的红外气体传感器 - Google Patents
一种基于硅基多次反射腔的红外气体传感器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113484267A CN113484267A CN202110651859.9A CN202110651859A CN113484267A CN 113484267 A CN113484267 A CN 113484267A CN 202110651859 A CN202110651859 A CN 202110651859A CN 113484267 A CN113484267 A CN 113484267A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- silicon
- silicon wafer
- reflection cavity
- multiple reflection
- gas sensor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 119
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 119
- 239000010703 silicon Substances 0.000 title claims abstract description 119
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 26
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 23
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 11
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 claims description 3
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 claims description 3
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 7
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 2
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 2
- 235000013405 beer Nutrition 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明提供了一种基于硅基多次反射腔的红外气体传感器，包括基于硅基的多次反射腔、红外光源、光探测模块和集成电路模块；多次反射腔包括上层硅片、下层硅片、离轴抛物面、硅基反射片和滤光片；上层硅片的下表面蚀刻有凹槽，上层硅片的两侧面设置有硅基反射片，硅基反射片的表面镀有反射膜以形成光路通道；下层硅片与上层硅片叠在一起；光路通道的两端分别安装离轴抛物面，下层硅片上分别设置入射孔和出射孔；红外光源和光探测模块分别设置在入射孔和出射孔处；上层硅片上设置透气孔、外侧设置防水透气膜。该红外气体传感器具有红外光传输效率更高、光程更长、探测灵敏度更高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，具体的说，涉及了一种基于硅基多次反射腔的红外气体传感器。
背景技术
红外气体传感器是利用特定气体对特定波长光的吸收特性，以及朗伯比尔吸收定律测量推导出现场气体的浓度的传感器，具有选择性好、寿命长、可靠性高等优点。
目前常见的红外气体传感器均采用S形或蛇形腔体结构的红外气体传感器，光传输主要靠凹槽的侧壁反射进行传输，这样光的损失率很高。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种红外光传输效率更高、光程更长、探测灵敏度更高的一种基于硅基多次反射腔的红外气体传感器。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于硅基多次反射腔的红外气体传感器，包括基于硅基的多次反射腔、红外光源、光探测模块和集成电路模块；
所述基于硅基的多次反射腔包括上层硅片、下层硅片、离轴抛物面、硅基反射片和滤光片；
所述上层硅片的下表面蚀刻有凹槽，所述上层硅片的两侧面设置有硅基反射片，所述硅基反射片的表面镀有针对特定波长光的反射膜，所述凹槽和硅基反射片配合形成通过硅基反射片反射的光路通道；
所述下层硅片与上层硅片叠设并固定在一起，使所述光路通道形成闭合的多次反射腔；
所述光路通道的两端分别安装匹配光路通道入射角度和出射角度的所述离轴抛物面，所述下层硅片上对应两个离轴抛物面的位置分别设置入射孔和出射孔，所述入射孔和出射孔处均安装滤光片；
所述红外光源正对所述入射孔设置，所述光探测模块设置在出射孔处，所述集成电路模块连接所述光探测模块和红外光源；
所述上层硅片上设置有连通光路通道的透气孔，所述上层硅片的上表面设置有防水透气膜。
基上所述，所述凹槽呈连续的对齿形通道，入射孔处的离轴抛物面的入射角度与上层硅片的下表面垂直、出射角度与对齿形通道的角度适配；出射孔处的离轴抛物面的入射角度与对齿形通道的角度适配、出射角度与上层硅片的下表面垂直。
基上所述，所述对齿形通道的换向次数为多次，以使所述光路通道具有多次反射结构。
基上所述，上层硅片上形成所述凹槽的未蚀刻部分为若干个错位且尖角相对设置的三角形或梯形结构。
基上所述，所述上层硅片与下层硅片通过胶粘或键合的方式连接。
基上所述，所述红外光源安装在所述下层硅片的下端并与所述下层硅片垂直设置。
基上所述，所述集成电路模块包括陶瓷电路板和集成于所述陶瓷电路板上的信号处理模块和系统控制和数据处理模块，所述信号处理模块连接光探测模块，所述系统控制和数据处理模块连接信号处理模块和红外光源。
基上所述，所述光探测模块和红外光源均集成于所述陶瓷电路板上。
基上所述，所述入射孔和出射孔分别设置在所述下层硅片的对角位置。
基上所述，所述凹槽是通过干法或湿法蚀刻形成的。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明利用蚀刻技术在硅片的表面蚀刻出凹槽后，在硅片的两侧分别安装表面镀有特定反射膜的高反射率的硅基反射片，形成光路通道，光线的传输过程主要依赖高反射率的硅基反射片，同时由于特定反射膜的存在，只会对特定波长的光进行反射并传输到光探测模块，大幅提高了光的传输效率，降低了光的损耗，与此同时，由于凹槽的存在，增加了光线的折返次数，使其光程变长，提高了红外气体传感器的探测灵敏度。
进一步的， 形成凹槽的上层硅片的未蚀刻部分，在光线的传输过程中，仅起到隔离光路的作用，不参与反射，反射只依赖两侧的硅基反射片，可有效避免光线传输过程的杂乱，也避免了光程过于长导致的光损失。
进一步的，设置离轴抛物面，其主要作用是转换入射光线和内部光线的角度，使红外光源和光探测模块可以设置在与上层硅片和下层硅片垂直的位置，以便于集成到陶瓷电路板上，且可以尽可能的压缩传感器的体积；另外， 离轴抛物面安装在上层硅片上，与光路通道的一致性更强，不会因为拆装问题导致光路方向的变化，更安全更稳定。
进一步的，在上层硅片上开设透气孔，由于上层硅片经过蚀刻后的壁厚更薄，透气孔的孔深更短，气体更容易进入到多次反射腔中，使得传感器对外界气体的感应更加灵敏，与此同时，将陶瓷电路板设置在下层硅片的下表面，减轻上层硅片的负荷，降低上层硅片的制造和安装难度，降低生产成本。
进一步的，在透气孔外设置防水透气膜，避免外界环境中水汽的干扰。
进一步的，入射孔和出射孔分别设置在对角的位置，有效延长光程，提高传感器的灵敏度。
附图说明
图1是本发明中基于硅基多次反射腔的红外气体传感器的光路原理图。
图2是本发明中基于硅基多次反射腔的红外气体传感器的爆炸示意图之一。
图3是本发明中基于硅基多次反射腔的红外气体传感器的爆炸图示意图之二。
图中：1.上层硅片；2.下层硅片；3.硅基反射片；4.滤光片；5.陶瓷电路板；6.光探测模块；7.红外光源；8.防水透气膜；9.透气孔；10.离轴抛物面；11.凹槽；12.入射孔；13.出射孔。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1-图3所示，一种基于硅基多次反射腔的红外气体传感器，包括基于硅基的多次反射腔、红外光源、光探测模块和集成电路模块，本实施例中，集成电路模块包括陶瓷电路板和集成于所述陶瓷电路板上的信号处理模块和系统控制和数据处理模块，所述信号处理模块连接光探测模块，所述系统控制和数据处理模块连接信号处理模块和红外光源。
红外光源经多次反射腔反射后到达光探测模块，光探测模块采用高性能探测器，把光信号转化为电信号，信号处理模块采用高性能的运算放大器，将微弱的电信号转化为MCU可以识别的电信号，系统控制和数据处理模块采用高性能的MCU，一方面用于驱动红外光源，另一方面用于对接收到的电信号数据进行分析和处理，本实施例中，红外光源、光探测模块、信号处理模块和系统控制和数据处理模块均集成在陶瓷电路板上。
具体的，所述基于硅基的多次反射腔包括上层硅片1、下层硅片2、离轴抛物面10、硅基反射片3和滤光片4；
所述上层硅片1的下表面设置有通过干法或湿法蚀刻形成凹槽11，所述上层硅片1的两侧面设置有硅基反射片3，所述硅基反射片3的表面镀有针对特定波长光的反射膜，所述凹槽11和硅基反射片3配合形成通过硅基反射片反射的光路通道；
所述下层硅片2与上层硅片1叠设并胶粘或键合在一起，使所述光路通道形成闭合的多次反射腔。
其中，所述凹槽呈连续的对齿形通道，即上层硅片上形成所述凹槽的未蚀刻部分为若干个错位且尖角相对设置的三角形或梯形结构，类似两个即将啮合的齿轮，但是槽的水平开口位置均被硅基反射片3阻挡。
所述对齿形通道的换向次数为多次，以使所述光路通道具有多次反射结构，以尽可能的延长光程。
所述上层硅片1上设置有连通光路通道的透气孔9，所述上层硅片1的上表面设置有防水透气膜8。
所述光路通道的两端分别安装匹配光路通道入射角度和出射角度的所述离轴抛物面10，所述下层硅片上对应两个离轴抛物面的位置分别设置入射孔12和出射孔13，所述入射孔12和出射孔13处均安装滤光片4，入射孔处的离轴抛物面的入射角度与上层硅片的下表面垂直、出射角度与对齿形通道的角度适配；出射孔处的离轴抛物面的入射角度与对齿形通道的角度适配、出射角度与上层硅片的下表面垂直，所述入射孔12和出射孔13分别设置在所述下层硅片的对角位置。
所述红外光源7正对所述入射孔12设置，所述光探测模块6设置在出射孔13处，所述集成电路模块连接所述光探测模块6和红外光源7。
工作原理：环境中的气体通过透气孔9进入到多次反射腔中，红外光源所发出的入射光在入射孔处的离轴抛物面的作用下转为水平，且角度与光路通道适配，光线在光路通道中，在硅基反射膜的作用下多次反射，途径待测气体，与待测气体作用后，从出射孔处的离轴抛物面反射到光探测模块6，光探测模块输出电信号给信号处理模块，信号处理模块将信号放大后发送给系统控制和数据处理模块，系统控制和数据处理模块输出结果，得到待测气体的浓度值。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (10)
1.一种基于硅基多次反射腔的红外气体传感器，其特征在于：包括基于硅基的多次反射腔、红外光源、光探测模块和集成电路模块；
所述基于硅基的多次反射腔包括上层硅片、下层硅片、离轴抛物面、硅基反射片和滤光片；
所述上层硅片的下表面蚀刻有凹槽，所述上层硅片的两侧面设置有硅基反射片，所述硅基反射片的表面镀有针对特定波长光的反射膜，所述凹槽和硅基反射片配合形成通过硅基反射片反射的光路通道；
所述下层硅片与上层硅片叠设并固定在一起，使所述光路通道形成闭合的多次反射腔；
所述光路通道的两端分别安装匹配光路通道入射角度和出射角度的所述离轴抛物面，所述下层硅片上对应两个离轴抛物面的位置分别设置入射孔和出射孔，所述入射孔和出射孔处均安装滤光片；
所述红外光源正对所述入射孔设置，所述光探测模块设置在出射孔处，所述集成电路模块连接所述光探测模块和红外光源；
所述上层硅片上设置有连通光路通道的透气孔，所述上层硅片的上表面设置有防水透气膜。
2.根据权利要求1所述的基于硅基多次反射腔的红外气体传感器，其特征在于：所述凹槽呈连续的对齿形通道，入射孔处的离轴抛物面的入射角度与上层硅片的下表面垂直、出射角度与对齿形通道的角度适配；出射孔处的离轴抛物面的入射角度与对齿形通道的角度适配、出射角度与上层硅片的下表面垂直。
3.根据权利要求2所述的基于硅基多次反射腔的红外气体传感器，其特征在于：所述对齿形通道的换向次数为多次，以使所述光路通道具有多次反射结构。
4.根据权利要求3所述的基于硅基多次反射腔的红外气体传感器，其特征在于：上层硅片上形成所述凹槽的未蚀刻部分为若干个错位且尖角相对设置的三角形或梯形结构。
5.根据权利要求4所述的基于硅基多次反射腔的红外气体传感器，其特征在于：所述上层硅片与下层硅片通过胶粘或键合的方式连接。
6.根据权利要求5所述的基于硅基多次反射腔的红外气体传感器，其特征在于：所述红外光源安装在所述下层硅片的下端并与所述下层硅片垂直设置。
7.根据权利要求6所述的基于硅基多次反射腔的红外气体传感器，其特征在于：所述集成电路模块包括陶瓷电路板和集成于所述陶瓷电路板上的信号处理模块和系统控制和数据处理模块，所述信号处理模块连接光探测模块，所述系统控制和数据处理模块连接信号处理模块和红外光源。
8.根据权利要求7所述的基于硅基多次反射腔的红外气体传感器，其特征在于：所述光探测模块和红外光源均集成于所述陶瓷电路板上。
9.根据权利要求8所述的基于硅基多次反射腔的红外气体传感器，其特征在于：所述入射孔和出射孔分别设置在所述下层硅片的对角位置。
10.根据权利要求9所述的基于硅基多次反射腔的红外气体传感器，其特征在于：所述凹槽是通过干法或湿法蚀刻形成的。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110651859.9A CN113484267B (zh) | 2021-06-11 | 2021-06-11 | 一种基于硅基多次反射腔的红外气体传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110651859.9A CN113484267B (zh) | 2021-06-11 | 2021-06-11 | 一种基于硅基多次反射腔的红外气体传感器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113484267A true CN113484267A (zh) | 2021-10-08 |
| CN113484267B CN113484267B (zh) | 2022-07-29 |
Family
ID=77935275
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110651859.9A Active CN113484267B (zh) | 2021-06-11 | 2021-06-11 | 一种基于硅基多次反射腔的红外气体传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113484267B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116879215A (zh) * | 2023-07-18 | 2023-10-13 | 上海苏萨电子科技有限公司 | 一种非色散红外气体传感器 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5973326A (en) * | 1996-08-10 | 1999-10-26 | Eev Limited | Gas monitors |
| US20030209669A1 (en) * | 2002-05-09 | 2003-11-13 | Chou Bruce C. S. | Miniaturized infrared gas analyzing apparatus |
| KR20090012952A (ko) * | 2007-07-31 | 2009-02-04 | 주식회사 오토전자 | 평행광원을 가진 비분산 적외선 가스 센서 |
| CN105181621A (zh) * | 2015-08-26 | 2015-12-23 | 电子科技大学 | 一种全集成红外气体传感器 |
| CN105407801A (zh) * | 2013-07-22 | 2016-03-16 | 申特克股份公司 | 用于检测气体的传感器和用于检测气体的方法 |
| CN206020721U (zh) * | 2016-08-02 | 2017-03-15 | 福建中策光电股份公司 | 一种空气隙型密集波分复用模块 |
| CN108426833A (zh) * | 2018-03-16 | 2018-08-21 | 中电科技集团重庆声光电有限公司 | 一种基于盒形气室结构的全集成式红外气体传感器 |
| US20190064061A1 (en) * | 2017-08-26 | 2019-02-28 | Innovative Micro Technology | Gas sensor using vcsel |
-
2021
- 2021-06-11 CN CN202110651859.9A patent/CN113484267B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5973326A (en) * | 1996-08-10 | 1999-10-26 | Eev Limited | Gas monitors |
| US20030209669A1 (en) * | 2002-05-09 | 2003-11-13 | Chou Bruce C. S. | Miniaturized infrared gas analyzing apparatus |
| KR20090012952A (ko) * | 2007-07-31 | 2009-02-04 | 주식회사 오토전자 | 평행광원을 가진 비분산 적외선 가스 센서 |
| CN105407801A (zh) * | 2013-07-22 | 2016-03-16 | 申特克股份公司 | 用于检测气体的传感器和用于检测气体的方法 |
| CN105181621A (zh) * | 2015-08-26 | 2015-12-23 | 电子科技大学 | 一种全集成红外气体传感器 |
| CN206020721U (zh) * | 2016-08-02 | 2017-03-15 | 福建中策光电股份公司 | 一种空气隙型密集波分复用模块 |
| US20190064061A1 (en) * | 2017-08-26 | 2019-02-28 | Innovative Micro Technology | Gas sensor using vcsel |
| CN108426833A (zh) * | 2018-03-16 | 2018-08-21 | 中电科技集团重庆声光电有限公司 | 一种基于盒形气室结构的全集成式红外气体传感器 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| ZHANG KAISHENG ET AL.: "Gas chamber and thermal isolation structure simulation for an intergrated NDIR gas sensor", 《IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON NANO/MICOR ENGINEERED AND MOLECULAR SYSTEMS 》 * |
| 程跃等: "光程可调吸收气室气体传感器研究", 《传感器与微系统》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116879215A (zh) * | 2023-07-18 | 2023-10-13 | 上海苏萨电子科技有限公司 | 一种非色散红外气体传感器 |
| CN116879215B (zh) * | 2023-07-18 | 2024-04-09 | 上海苏萨电子科技有限公司 | 一种非色散红外气体传感器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113484267B (zh) | 2022-07-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108426833B (zh) | 一种基于盒形气室结构的全集成式红外气体传感器 | |
| CN102869980A (zh) | 具有辐射导管的气体传感器 | |
| CN113484267B (zh) | 一种基于硅基多次反射腔的红外气体传感器 | |
| CN106158998B (zh) | 一种可见光及近红外波段硅基光波导集成光电探测器 | |
| WO2021212931A1 (zh) | 一种二维多点反射长光程气体传感器探头及气体传感器 | |
| JP2008505331A (ja) | 赤外線センサ、センサモジュール、赤外線センサの製造方法 | |
| CN105181621A (zh) | 一种全集成红外气体传感器 | |
| CN107037019B (zh) | 叠层结构荧光传感器 | |
| CN103134769A (zh) | 一种红外气体传感器 | |
| CN102495003A (zh) | 小型长光程红外气体传感器模块 | |
| CN110132877A (zh) | 一种基于mems的集成式红外气体传感器 | |
| CN113358596B (zh) | 一种双层气室的微型ndir集成红外气体传感器 | |
| KR20050035185A (ko) | 결로 검출 장치 | |
| CN113109268B (zh) | 光声光谱增强装置以及使用该装置进行气体检测的方法 | |
| CN108318439B (zh) | 一种基于椭圆形气室结构的全集成式红外气体传感器 | |
| CN111115565B (zh) | 一种mems红外光源的制备方法及其应用 | |
| JP7123599B2 (ja) | 受発光装置及び光学式濃度測定装置 | |
| CN101153832B (zh) | 一种气体取样室 | |
| JP2006275632A (ja) | 分光式ガスセンサ | |
| JP2007271423A (ja) | 雨滴センサ | |
| CN218782178U (zh) | 激光甲烷探测传感器 | |
| KR102643353B1 (ko) | 가스 센서 | |
| CN112730264B (zh) | 差分式mems气体传感器 | |
| WO2021237796A1 (zh) | 一种横式微型红外气体传感器 | |
| JP3828755B2 (ja) | 変位光量変換装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |