CN116609271A - 一种基于空芯波导芯片的微型红外气体传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于空芯波导芯片的微型红外气体传感装置，包括：红外光源、空芯波导芯片、超构透镜、超构表面滤光片、探测器；所述空芯波导芯片包括光输入口和光输出口；所述红外光源设置于所述空芯波导芯片的光输入口；所述探测器设置于所述空芯波导芯片的光输出口；所述红外光源、探测器、空芯波导芯片、超构透镜、超构表面滤光片之间通过固定件来固定。本发明容易实现更紧凑、性能更好、成本更低的微型非色散型红外(NDIR)红外气体传感器。
Description
技术领域
本发明属于红外气体传感器领域，具体涉及一种空芯波导芯片的微型红外气体传感装置。
背景技术
气体传感器在科学研究、工业生产和环境安全和保护等应用领域都有着广泛的应用，工业4.0、消费电子和物联网等技术的发展，促进了市场对低成本、微型气体传感器的需求。为了满足日益增长的需求，基于多种气体检测原理的微型气体传感器技术被开发出来，如基于电化学原理的金属氧化物(MOS)气体传感器、基于吸附作用的碳纳米管气体传感器、基于质量分析的声学气体传感器等。相比之下，基于光谱吸收原理的气体传感器具有选择性好、使用寿命长、精度高、维护成本低等优点。其中非色散型红外(NDIR)气体传感器应用最广泛，然而目前的NDIR气体传感器产品主要基于传统的空间光学系统设计和封装方式，成本较高，体积也较大，限制了其更广泛的应用。基于此，亟需一种微型红外气体传感装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于空芯波导芯片的微型红外气体传感装置以解决现有NDIR气体传感器成本较高，体积较大的问题。
本发明的技术方案如下：
一种基于空芯波导芯片的微型红外气体传感装置，包括：
红外光源、空芯波导芯片、超构透镜、超构表面滤光片、探测器；
所述空芯波导芯片包括光输入口和光输出口；
所述红外光源设置于所述空芯波导芯片的光输入口；
所述探测器设置于所述空芯波导芯片的光输出口；
所述红外光源、探测器、空芯波导芯片、超构透镜、超构表面滤光片之间通过固定件来固定。
进一步地，所述光输入口位于所述空芯波导芯片的一侧；所述光输出口位于所述空芯波导芯片的另一侧。
进一步地，所述光输入口和光输出口位于所述空芯波导芯片的顶部。
进一步地，所述超构透镜设置于所述红外光源和所述空芯波导芯片之间。
进一步地，所述超构透镜和超构表面滤光片设置于所述红外光源和所述空芯波导芯片之间。
进一步地，所述超构透镜设置于所述红外光源和所述空芯波导芯片之间；
所述超构表面滤光片设置于所述空芯波导芯片和所述探测器之间。
进一步地，所述空芯波导芯片的路径为直线型、螺旋形、U形等可以实现空芯波导光传输路径的任意一种。
进一步地，所述空芯波导芯片的光输入口和光输出口的截面形状为圆形、半圆形、四边形等可形成空芯波导截面形状的任意一种。
进一步地，所述空芯波导芯片由上衬底、下衬底组成，通过薄膜沉积工艺分别在上衬底和下衬底上形成反射层。
本发明的技术效果：
本发明提出的针对空芯波导的光耦合方案可以实现较高的光耦合效率，同时可以实现较紧凑的封装，基于大规模半导体制造工艺和封装技术，有望实现低成本、大规模的生产。基于此方案，易于实现更紧凑、性能更好、成本更低的微型NDIR红外气体传感器。
附图说明
附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所发明的实施例进行说明。在适当的时候，在所有附图中使用相同的附图标记指代同一或相似的部分。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。
图1示出了本发明的三种空芯波导设计及光传输路径示意图；其中，(a)直波导；(b)螺旋形波导；(c)U形波导；
图2示出了本发明的四种空芯波导截面形状示意图；
图3示出了本发明的三种空芯波导的反射结构示意图；
图4示出了本发明的空芯波导芯片三种侧向光耦合方案示意图；
图5示出了本发明的空芯波导芯片三种垂直光耦合方案示意图；
图6示出了本发明的红外超构透镜电子束显微镜图；
图7示出了本发明的红外超构透镜光束聚焦示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
一种基于空芯波导芯片的微型红外气体传感装置，包括：
红外光源、空芯波导芯片、超构透镜、超构表面滤光片、探测器；
所述空芯波导芯片包括光输入口和光输出口；
所述红外光源设置于所述空芯波导芯片的光输入口；
所述探测器设置于所述空芯波导芯片的光输出口；
所述红外光源、探测器、空芯波导芯片、超构透镜、超构表面滤光片之间通过固定件来固定。
所述空芯波导示意图如图1所示，光通过在空芯波导内部进行全反射而实现沿着波导设计的路径进行传输。波导的路径设计可以是直波导(a)、螺旋形(b)、U形(c)等。可以通过灵活设计不同的波导路径来实现不同的输入输出的端口位置分布需求以及气体吸收池长度需求，输入输出端口可以在芯片的同侧或者异侧。
四种空芯波导截面形状的示意图如图2所示。波导由上衬底、下衬底组成，在两个衬底上通过刻蚀工艺，形成一定的结构，通过薄膜沉积工艺分别在两个衬底上形成反射层。通过上下衬底的芯片级或晶圆级的封装键合，便可形成空芯波导的截面结构。波导截面可以是方形，圆形或者半圆形等。
空芯结构内侧的反射层使得光在波导中可以以较低的损耗进行传输，反射层可以由金属薄膜如金、银等实现，也可以由具有较好反射性能的多层薄膜结构(如布拉格光栅)实现，反射层内也可以增加一层介质材料以降低损耗。三种反射层结构示意图如图3所示。
气体进出波导可以通过衬底上的气孔实现，如图4所示。气孔可以通过刻蚀工艺制作在上衬底或者下衬底上，气体进出波导可以通过气体的自然扩散过程或者外部的人工施压来实现。
根据NDIR气体检测的工作原理，需要分别在空芯波导芯片的光输入和输出端口，将红外光源和探测器和波导进行光耦合，来实现光的输入输出，空芯波导芯片、红外光源、探测器等通过固定件进行封装固定。光耦合方法的示意图如图4和图5所示，可以通过在芯片侧面实现光耦合(图4)，也可以通过垂直方式实现光耦合(图5)。侧面耦合情况下，光路不发生纵向弯折，直接沿着波导路径传输。在垂直耦合情况下，光路在耦合进出时，需要经过反射，光路发生弯折，以将光从光源导入波导，或者从波导导出到探测器上。虽然垂直耦合相比侧向耦合会增加部分损耗，垂直耦合便于将光源/探测器芯片直接键合到空芯波导晶圆或芯片上，实现芯片到晶圆，或者芯片到芯片级的封装，可以大大减小封装后的体积，同时降低成本。
用于红外气体传感的红外光源主要包括热红外光源和红外发光二极管，其出射光通常具有较大的发散角，通过具有光束准直功能的封装外壳可以实现一定程度的准直，但是会大大增加光源的体积，且很难实现完全的光束准直。另外光源的发光面往往大于波导的截面尺寸，如果使用直接耦合的方式，光源的相当一部分能量将无法耦合到波导里。根据比尔-朗伯特定律，光源的强度将直接影响气体探测的灵敏度和信噪比，因而需尽量充分利用光源的能量。
为了将光源的能量更多地耦合进波导，提高气体探测的灵敏度和信噪比，本发明提出采用基于超构表面技术的超构透镜，将来自光源的发散光束进行会聚，将光束缩小，以匹配波导的尺寸，实现更高效的耦合。超构透镜实现光束会聚功能的示意图如图6和图7所示。超构表面通常通过在衬底表面，如硅或玻璃衬底，制作出周期性微纳结构，可以实现对光的相位、偏振、透射率、光谱等的操控，典型的器件包括超构透镜、滤光片，偏振片、光束偏转器等。通过超构表面技术制作的超构透镜可以通过兼容互补型金属氧化物半导体(CMOS)的制造工艺，大规模制造出来，成本较低，并且其厚度较传统透镜大大减小。进一步地，可以通过先进封装技术，将其和波导芯片进行芯片级或晶圆级的封装，以进一步降低成本。
当使用热红外光源时，光源的光谱范围较宽，需要在光路中加入滤光片，使只有目标气体吸收峰位置的光谱成分通过，来减小干扰，从而提高选择性和灵敏度。滤光片可以放置于光源后，也可以放置于探测器前。传统滤光片厚度较大，与波导芯片集成也具有较大的挑战性，本申请提出采用基于超构表面的超构表面滤光片，来实现滤光功能。超构透镜和超构表面滤光片可以在同一衬底的两侧分别制作实现，将其放置在光源和波导芯片之间，也可以在同一衬底的同侧制作，将超构表面滤光片单独置于探测器的前方进行滤波。
以上所述，仅为本发明优选的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于空芯波导芯片的微型红外气体传感装置，其特征在于，包括：
红外光源、空芯波导芯片、超构透镜、超构表面滤光片、探测器；
所述空芯波导芯片包括光输入口和光输出口；
所述红外光源片设置于所述空芯波导芯片的光输入口；
所述探测器设置于所述空芯波导芯片的光输出口；
所述红外光源、探测器、空芯波导芯片、超构透镜、超构表面滤光片之间通过固定件来固定。
2.根据权利要求1所述的微型红外气体传感装置，其特征在于，所述光输入口位于所述空芯波导芯片的一侧；所述光输出口位于所述空芯波导芯片的另一侧。
3.根据权利要求1所述的微型红外气体传感装置，其特征在于，所述光输入口和光输出口也可以位于所述空芯波导芯片的顶部。
4.根据权利要求1所述的微型红外气体传感器，其特征在于，
所述超构透镜设置于所述红外光源和所述空芯波导芯片之间。
5.根据权利要求1所述的微型红外气体传感装置，其特征在于，
所述超构透镜和超构表面滤光片设置于所述红外光源和所述空芯波导芯片之间。
6.根据权利要求1所述的微型红外气体传感装置，其特征在于，
所述超构透镜设置于所述红外光源和所述空芯波导芯片之间；
所述超构表面滤光片设置于所述空芯波导芯片和所述探测器之间。
7.根据权利要求1所述的微型红外气体传感装置，其特征在于，所述空芯波导芯片的路径为直线形、螺旋形、U形可以实现空芯波导光传输路径的任意一种。
8.根据权利要求1所述的微型红外气体传感装置，其特征在于，所述空芯波导芯片的光输入口和光输出口的截面面积为圆形、半圆形、四边形可形成空芯波导截面形状的任意一种。
9.根据权利要求1所述的微型红外气体传感装置，其特征在于，所述空芯波导芯片由上衬底、下衬底组成，通过薄膜沉积工艺分别在上衬底和下衬底上形成反射层。
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