CN116183513A - 一种芯片级集成的光声光谱气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种芯片级集成的光声光谱气体传感器，包括红外发射器和声学传感器，红外发射器和声学传感器设置在存放有待测气体的密闭结构内，密闭结构的顶部一侧阵列设置有用于气体交换的孔，红外发射器能够发出周期变化的红外光波以驱动待测气体膨胀产生声学信号，声学传感器用于将声学信号转换为电学信号，通过光声信号的幅值确定当前环境下待测气体的浓度。具有体积小、成本低、精度高的优势。

Description

一种芯片级集成的光声光谱气体传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种芯片级集成的光声光谱气体传感器。

背景技术

光声光谱法是一种灵敏度高、气体选择性好、响应速度快的痕量气体检测机理，非常适用于工业过程控制、大气环境监测等物联网场景的大规模智能化在线测量。

近年来，已有大量基于光声光谱法的痕量气体传感系统报道，大部分技术是采用采用昂贵的高性能激光源、精密的光路设计，尽管精度可以达到ppm甚至ppb级别，其高成本、大体积和严苛的工作环境要求均限制了大规模应用。在光声光谱传感器微型化与小型化方面，英飞凌和盛思锐等企业提出了一类新型MEMS小型化光声光谱气体传感器，其采用MEMS红外光源、MEMS麦克风和毫米级光声池技术方案，可以实现几十ppm级别的二氧化碳传感，现已形成市场化应用。

随着半导体光学技术和微纳加工技术的发展，光声光谱气体传感器有望实现进一步的微型化，形成基于晶圆键合的片上集成光声光谱气体传感器。一方面，基于超材料的红外发射源可以实现特定波长的窄带宽红外发射，可以替代传统DFB、QCL激光器，从而实现成本低、体积小的气体传感器。现有还有利用超材料红外发射器作为光源，以热电堆传感器作为光强检测装置，设计了基于红外光谱吸收原理的气体传感器，但受限于较长的吸收路径，该类型传感器仍无法实现片上集成。超材料红外发射器在光声光谱气体传感器中的应用鲜有报道，仅有一种实现了其和硅微悬臂梁的芯片级集成光声光谱气体传感器，但上述方案存在气室无法密封、悬臂梁对光声信号灵敏度差等问题，无法满足高精度痕量气体传感的测试需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种芯片级集成的光声光谱气体传感器，用于解决传统光声光谱气体传感器体积、精度、成本难以兼顾的技术问题。

本发明采用以下技术方案：

一种芯片级集成的光声光谱气体传感器，包括红外发射器和声学传感器，红外发射器和声学传感器均为硅微芯片结构，并设置在存放有待测气体的密闭结构内，密闭结构的顶部一侧阵列设置有用于气体交换的孔，声学传感器用于将红外发射器驱动待测气体膨胀产生的声学信号转换为电学信号，利用光声信号的幅值确定当前环境下待测气体的浓度。

具体的，密闭结构包括底部封装，底部封装的顶部设置有顶部封装，红外发射器和声学传感器设置在底部封装和顶部封装之间，顶部封装上设置有透气孔阵列。

进一步的，红外发射器和声学传感器采用晶圆键合工艺依次堆叠设置在底部封装上。

进一步的，红外发射器和声学传感器集成在同一晶圆上，通过晶圆键合工艺与顶部封装和底部封装连接。

具体的，密闭结构采用一体化封装，包括壳结构，红外发射器设置在壳结构的底部，声学传感器设置在红外发射器的上方，壳结构的顶部一侧设置有透气孔阵列。

具体的，密闭结构采用一体化封装，包括壳结构，红外发射器设置在壳结构的底部，声学传感器设置在红外发射器的上方，红外发射器和声学传感器之间设置有红外滤光片，壳结构的顶部一侧设置有透气孔阵列。

进一步的，壳结构的内部两侧对应设置有用于连接声学传感器和红外滤光片的支架结构。

进一步的，透气孔阵列的孔径为30nm～1μm。

具体的，红外发射器包括加热结构，加热结构的两端分别设置有第一支撑结构，加热结构上间隔设置有波长调制结构，加热结构用于将波长调制结构加热至300～700℃。

具体的，声学传感器包括声学薄膜，声学薄膜的两端分别设置有第二支撑结构。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

一种芯片级集成的光声光谱气体传感器，通过将红外发射器芯片和声学传感器芯片进行集成，可以减少传感器的体积和重量，将它们设置在微型密闭结构内，可以有效增强光声信号的幅值，提升传感器的灵敏度。此外，将用于其体交换的孔设置在密闭结构的顶部一侧，可以在保证光声信号幅值的同时，实现待测气体和外界气体的交换，保证气体传感器的快速响应。

进一步的，微型密闭空间由底部封装和顶部封装构成，红外发射器和声学传感器设置在底部封装和顶部封装之间，可以很好的保护光声信号的产生和检测，避免外部环境对传感器的影响。同时，顶部封装上设置的透气孔阵列可以让待测气体和外界气体进行交换，实现气体传感器的快速响应，同时也可以方便地进行微纳加工制造，增强了传感器的可制造性和稳定性；底部封装和顶部封装构成的微型密闭空间是传感器的核心部分，它可以很好地这种使得传感器可以更好地适用于微型化和集成化的应用场景。

进一步的，基于晶圆键合工艺的堆叠设计大幅缩减了传感器的体积，同时由于光声信号的幅值与光声池体积呈反比，该设计可以大幅提升光声信号的幅值、增强传感器灵敏度。

进一步的，红外发射器和声学传感器集成在同一晶圆上，减少键合工艺，另一方面避免红外光直接照射在压力传感器上，减少不必要的热噪声。

进一步的，密闭结构采用一体化封装的壳结构，将红外发射器和声学传感器堆叠起来，不需要键合工艺，减少生产步骤。

进一步的，红外发射器和声学传感器之间设置有红外滤光片，进一步过滤红外光波长λ，提升气体选择性。

进一步的，壳结构内部两侧支架可以为压力传感器提供支撑，在实际制造过程中，可以将环氧树脂等粘合剂涂覆在两侧支架上，用于压力传感器的粘接。

进一步的，壳结构上布置有透气孔阵列，用于实现腔体内外的气体交换，保证传感器对外界气体环境的及时响应。透气孔阵列的孔径为30nm～1μm，根据努森扩散原理，该孔径既可以保证腔体内外的气体交换，又能防止腔内周期性膨胀的气体快速溢出，导致压力信号无法产生。

进一步的，红外发射器包括加热结构、第一支撑结构和波长调制结构，第一支撑结构用于为加热结构提供外围支撑，保证其中心部分的悬空；加热结构为薄膜结构，在通入电压时会被加热到300～700℃，并发出红外光波，该红外光波的强度与温度呈正比，且光波强度越高，传感器的灵敏度则越高；波长调制结构为周期性排列的亚波长单元，根据超构材料发射原理，其可以使加热结构发出的红外光变为具有特定中心波长的窄带宽红外光，从而提升气体传感器的选择性。

进一步的，声学传感器包括声学薄膜和第二支撑结构，第二支撑结构用于使声学薄膜的中心部分悬空，当感受到声学信号时，声学薄膜会发生振动并产生相应幅值的电信号，进而反演声学信号的大小。

综上所述，本发明具有体积小、成本低、精度高的优势，具有较好的应用前景。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的一种典型实施方式示意图；

图3为本发明的另一种典型实施方式示意图；

图4为本发明基于红外滤光片的典型实施方式示意图。

其中：1.红外发射器；1-1.第一支撑结构；1-2.加热结构；1-3.波长调制结构；2.声学传感器；2-1.第二支撑结构；2-2.声学薄膜；3.顶部封装；3-1.第三支撑结构；3-2.顶板；3-3.透气孔阵列；4.底部封装；5-1.壳结构；5-2.支架结构；3-3.透气孔阵列；6.红外滤光片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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发明和简化描述，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发明的限制。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地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种芯片级集成的光声光谱气体传感器，采用红外发射器发出周期变化的红外光波以驱动待测气体膨胀产生声学信号，利用声学传感器将产生的声学信号转换为电学信号，通过光声信号的幅值确定当前环境下待测气体的浓度，实现超材料红外发射器、光声池和声学传感器的芯片级集成，具有体积小、成本低、精度高等优势，具有很好的应用前景。

请参阅图1，本发明一种芯片级集成的光声光谱气体传感器，包括红外发射器1、声学传感器2、顶部封装3和底部封装4；红外发射器1和声学传感器2采用晶圆键合工艺依次堆叠设置在底部封装4上，顶部封装3设置在声学传感器2上构成密闭结构，顶部封装3上设置有透气孔阵列3-3。

红外发射器1采用微纳制造工艺完成加工，包括第一支撑结构1-1、加热结构1-2和波长调制结构1-3，其中，第一支撑结构1-1包括两个，两个第一支撑结构1-1设置在加热结构1-2的两端，第一支撑结构1-1可以保证加热结构1-2的中心悬空，加热结构1-2上间隔设置有波长调制结构1-3，加热结构1-2在外部电压输入后，能够将波长调制结构1-3加热至300～700℃，并发出具有特定波长的红外光波，例如，当待测气体为二氧化碳时，红外光波的波长为中心波长4.26μm、带宽为±0.1μm。

声学传感器2包括第二支撑结构2-1和声学薄膜2-2，第二支撑结构2-1包括两个，两个第二支撑结构2-1设置在对应的第一支撑结构1-1上，声学薄膜2-2设置在两个第二支撑结构2-1之间，第二支撑结构能够保证声学薄膜2-2中心悬空，声学薄膜2-2能够将声学信号转换为电学信号。

顶部封装3包括第三支撑结构3-1、顶板3-2和透气孔阵列3-3，第三支撑结构3-1包括两个，两个第三支撑结构3-1设置在对应的第二支撑结构2-1上，顶板3-2设置在两个第三支撑结构3-1之间，第三支撑结构3-1用于保证顶板3-2中心部分悬空，为声学薄膜2-2的振动提供空间，顶板3-2上通过光刻、刻蚀等方式加工出透气孔阵列3-3，透气孔阵列3-3的孔径优选30nm～1μm。

底部封装4与红外发射器1通过键合等工艺方式连接，顶部封装3和底部封装4形成密闭空间，除透气孔阵列3-3外无法与外界实现气体交换。

红外发射器1和声学传感器2均采用基于单晶硅晶圆的MEMS加工技术完成制造，顶部封装3和底部封装4采用玻璃、单晶硅等材料制成，各部件之间采用键合工艺实现集成。

本发明的红外发射器1和声学传感器2均为硅微芯片结构，相较于普通的红外光源和声学传感器具有体积更小、集成度更高的优势。此外，芯片间的电信号通信能够直接由金电极溅射引线完成，噪声更小。

本发明一种芯片级集成的光声光谱气体传感器的工作原理如下：

红外发射器1发出中心波长为λ且强度以f为周期变化的红外光波，传感器腔体内的待测气体分子吸收光能，产生热能进而导致体积膨胀，在腔体内产生频率为f的声学信号；

被声学传感器2将频率为f的声学信号转换为电学信号，通过检测光声信号的幅值，即可反演当前环境下待测气体的浓度。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图2，第二种典型实施方式，红外发射器1和声学传感器2均设置在底部封装4上，顶部封装3设置在红外发射器1和声学传感器2的上方，红外发射器1的一个第一支撑结构1-1和声学传感器2一个第二支撑结构2-1连接，顶部封装3的两端分别于红外发射器1的另一个第一支撑结构1-1和声学传感器2另一个第二支撑结构2-1连接；红外发射器1和声学传感器2在同一晶圆上进行一体化制造，顶部封装3和底部封装4通过晶圆键合工艺与二者进行集成。

请参阅图3，第三种典型实施方式，利用一体化封装代替顶部封装3和底部封装4的功能，一体化封装采用工程塑料、聚合物、金属等材料制成。

一体化封装包括壳结构5-1、支架结构5-2和透气孔阵列3-3，支架结构5-2包括两个，对应设置在壳结构5-1内部中间的两侧，透气孔阵列3-3设置在壳结构5-1的顶部一侧，红外发射器1设置在壳结构5-1的底部，声学传感器2的两端对应设置在支架结构5-2上，声学传感器2采用粘接等方式安装在支架结构5-2上。

请参阅图4，第四种典型实施方式，还包括红外滤光片6，壳结构5-1的内部从下至上间隔设置有两层支架结构5-2，透气孔阵列3-3设置在壳结构5-1的顶部一侧，红外发射器1设置在壳结构5-1的底部，红外发射器1上方依次设置有红外滤光片6和声学传感器2，红外滤光片6和声学传感器2的两端设置在对应的支架结构5-2上，能够实现特定波长红外光的窄带宽筛选，从而进一步提升气体传感器的选择性。

其中，红外滤光片6的工艺简单、成本低，但体积比较大，用于替代波长调制结构1-3的功能。

综上所述，本发明一种芯片级集成的光声光谱气体传感器，采用芯片级红外光源、声学传感器和封装方案，在达到ppm、亚ppm级别气体检测下限的同时，将体积控制在毫米级别。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种芯片级集成的光声光谱气体传感器，其特征在于，包括红外发射器(1)和声学传感器(2)，红外发射器(1)和声学传感器(2)均为硅微芯片结构，并设置在存放有待测气体的密闭结构内，密闭结构的顶部一侧阵列设置有用于气体交换的孔，声学传感器(2)用于将红外发射器(1)驱动待测气体膨胀产生的声学信号转换为电学信号，利用光声信号的幅值确定当前环境下待测气体的浓度。

2.根据权利要求1所述的芯片级集成的光声光谱气体传感器，其特征在于，密闭结构包括底部封装(4)，底部封装(4)的顶部设置有顶部封装(3)，红外发射器(1)和声学传感器(2)设置在底部封装(4)和顶部封装(3)之间，顶部封装(3)上设置有透气孔阵列(3-3)。

3.根据权利要求2所述的芯片级集成的光声光谱气体传感器，其特征在于，红外发射器(1)和声学传感器(2)采用晶圆键合工艺依次堆叠设置在底部封装(4)上。

4.根据权利要求2所述的芯片级集成的光声光谱气体传感器，其特征在于，红外发射器(1)和声学传感器(2)集成在同一晶圆上，通过晶圆键合工艺与顶部封装(3)和底部封装(4)连接。

5.根据权利要求1所述的芯片级集成的光声光谱气体传感器，其特征在于，密闭结构采用一体化封装，包括壳结构(5-1)，红外发射器(1)设置在壳结构(5-1)的底部，声学传感器(2)设置在红外发射器(1)的上方，壳结构(5-1)的顶部一侧设置有透气孔阵列(3-3)。

6.根据权利要求1所述的芯片级集成的光声光谱气体传感器，其特征在于，密闭结构采用一体化封装，包括壳结构(5-1)，红外发射器(1)设置在壳结构(5-1)的底部，声学传感器(2)设置在红外发射器(1)的上方，红外发射器(1)和声学传感器(2)之间设置有红外滤光片(6)，壳结构(5-1)的顶部一侧设置有透气孔阵列(3-3)。

7.根据权利要求5或6所述的芯片级集成的光声光谱气体传感器，其特征在于，壳结构(5-1)的内部两侧对应设置有用于连接声学传感器(2)和红外滤光片(6)的支架结构(5-2)。

8.根据权利要求2或5或6所述的芯片级集成的光声光谱气体传感器，其特征在于，透气孔阵列(3-3)的孔径为30nm～1μm。

9.根据权利要求1所述的芯片级集成的光声光谱气体传感器，其特征在于，红外发射器(1)包括加热结构(1-2)，加热结构(1-2)的两端分别设置有第一支撑结构(1-1)，加热结构(1-2)上间隔设置有波长调制结构(1-3)，加热结构(1-2)用于将波长调制结构(1-3)加热至300～700℃。

10.根据权利要求1所述的芯片级集成的光声光谱气体传感器，其特征在于，声学传感器(2)包括声学薄膜(2-2)，声学薄膜(2-2)的两端分别设置有第二支撑结构(2-1)。

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