CN116773479A - 一种双抛物柱面结构的微型气体传感器腔室 - Google Patents
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Abstract
本发明属于气体传感器领域，提供一种双抛物柱面结构的微型气体传感器腔室，用以实现微型气室中的双通道探测，适用于平行光源与非平行光源，能够增强光传输效率并实现光程增加，从而提高气体传感器的性能。本发明包括：上层基片1与下层基片2，二者连接后于内部形成U形气室，U形气室一端为红外光源窗口3，另一端呈分支状、分别为参考红外探测器窗口4与测量红外探测器窗口5，且红外光源窗口处设置双抛物柱面结构，红外光源垂直设置于红外光源窗口。本发明通过U形气室以及红外光源窗口处双抛物柱面结构设计，提升红外光利用率及红外光传输效率，延长红外光传输路径，进而显著提高红外气体传感器的探测灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于气体传感器领域，涉及用于非色散红外气体传感器的微型气体腔室，具体提供一种双抛物柱面结构的微型气体传感器腔室。
背景技术
气体传感器在室内空气质量监测、室外环境监测、生产中的有毒气体检测等各领域中已经广泛应用，目前，主流的气体传感器有半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器和红外吸收气体传感器等几种，非色散红外气体传感器是运用最广泛的一种气体传感器，拥有高精度、高可靠性、高长期稳定性及长使用寿命等优点。
非色散红外气体传感器的原理是利用气体分子对红外光的选择性吸收实现对待测气体的精确检测，红外光源辐射出红外光，光在充满待测气体的气体腔室中传播，经过待测气体的吸收，到达红外探测器并被吸收，通过探测器探测光被待测气体吸收后的衰减程度；在一定浓度范围内，气体对红外辐射的吸收遵循朗伯-比尔定律：
I(λ)＝I0(λ)e-k(λ)LC
其中，I0(λ)为入射光的强度，I(λ)为出射光的强度，L为光在气室中传播的光程长度，C为待测气体的浓度，k(λ)为吸收系数、具体是波长λ的函数；在特定的频段内，一种特征吸收频率对应着特定待检测物质。
从非色散红外气体传感器的原理可以得知，光路长度及光在气体腔室中的传输效率是影响非分光红外气体传感器精度的重要因素。目前，商用的高精度红外气体传感器通常使用较大体积的气体腔室以保证测量精度，而使整体体积难以减小；针对红外气体传感器的微型气体腔室研究主要有公开号为CN108318439A的专利文献为代表的椭圆形反射式气室、公开号为CN105181621A的专利文献为代表的蛇形结构气室、公开号为CN109596560A的专利文献为代表的多通道气室、发表于Sensors and Actuators A:Physical331(2021)112953的《A design of an ultra-compact infrared gas sensor for respiratoryquotient(qCO2)detection》为代表的半圆柱式直管结构气室；然而，非分散红外气体传感器中应用的红外光源往往是黑体光源或LED光源等非平行光源，这些气室受体积或技术限制，红外光源往往采用水平放置，仅通过简单的斜面改变红外光的入射角度，红外光在入射时，非平行光在入射处的气体腔室内壁反复折射，难以传播至气体腔室的出射窗口处；并且，现有的微型气室因为红外探测器的尺寸限制，难以实现提高气体传感器的精确度与抗干扰性的双通道探测器检测，而只能够设置单一探测器窗口。因此，设计一种微型、可适用垂直放置的非平行光源、基于双通道探测、光传输效率高的气体腔室(简称：气室)，对实现非色散红外气体传感器的小型化、集成化、智能化有着重要意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有微型气室在非分散红外气体传感器应用中存在的诸多问题，提供一种双抛物柱面结构的微型气体传感器腔室，用以实现微型气室中的双通道探测，适用于平行光源与非平行光源，能够增强光传输效率并实现光程增加，从而提高气体传感器的性能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种双抛物柱面结构的微型气体传感器腔室，包括：上层基片1与下层基片2；其特征在于，所述上层基片与下层基片内部均开设U形凹槽、且两个U形凹槽呈镜像分布，上层基片与下层基片连接后于内部形成U形气室；U形气室一端为红外光源窗口3，另一端呈分支状、分别为参考红外探测器窗口4与测量红外探测器窗口5，红外光源窗口、参考红外探测器窗口与测量红外探测器窗口依次均匀分布于同一侧；所述上层基片的U形凹槽内部均匀分布有气孔7；所述红外光源窗口处设置双抛物柱面结构，红外光源垂直设置于红外光源窗口。
进一步的，在U形气室的水平截面中，双抛物柱面结构的水平截面表现为对称结构，由两条抛物线与红外光源窗口相交形成，红外光源窗口两侧端点分别位于两条抛物线的各自对称轴上，且任一抛物线的焦点位于另一抛物线上。
进一步的，U形气室的内壁镀有厚度为50～300nm的金薄膜。
进一步的，待测气体由气孔通入U形气室，红外光源发出的红外光进入U形气室，于双抛物柱面结构处经过多次反射后实现光形汇聚并向前传输，由参考红外探测器窗口与测量红外探测器窗口出射、并被参考红外探测器与测量红外探测器对应接收，实现待测气体的浓度检测。
进一步的，所述上层基片与下层基片采用硅基晶圆，U形凹槽通过干法腐蚀工艺或湿法腐蚀工艺加工形成，气孔通过深反应离子刻蚀工艺加工形成。
进一步的，所述上层基片与下层基片采用铜、铝合金或模具钢，U形凹槽及气孔通过机械加工形成。
进一步的，上层基片与下层基片通过键合或粘合方式进行连接。
基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：
本发明提供一种双抛物柱面结构的微型气体传感器腔室，红外光由平行红外光源或非平行红外光源发出时，从微型气体腔室的红外光源窗口进入气体腔室内部，经过双抛物柱面结构多次反射实现光形集中，在气体腔室内部传播，与从气孔进入气体腔室内部的待测气体进行作用，在双通道红外探测器窗口处被红外探测器接收，实现待测气体的浓度检测。其中，红外光源垂直放置，入射光直接通过红外光源窗口进入U形气体腔室，较平行放置光源光利用率更高；红外光由非平行红外光源发出时，进入在红外光源窗口处的双抛物柱面结构，在双抛物柱面结构处经过多次反射，光束的发散角减小，实现光型集中，使得红外光在气体腔室中传输效率更高；同时，相较于常见的直管式气体腔室，U形气体腔室的空间利用率更高，保证红外光有较长的光程，加之红外光在气体腔室中多次反射的传输路径进一步延长光程，进而显著提高气体传感器的探测灵敏度；并且，U形凹槽面积较大，其上设置气孔并不会导致红外光大量泄漏，同样能够保证红外光的传输效率，提高红外气体传感器的探测灵敏度；另外，气体腔室的上层基片凹槽上开设多个气孔，可提高气体扩散的效率，缩短传感器的响应时间。
附图说明
图1为本发明中双抛物柱面结构的微型气体传感器腔室的结构示意图；
图2为图1所示微型气体传感器腔室中上层基片的结构示意图；
图3为图1所示微型气体传感器腔室中下层基片的结构示意图；
其中，1-上层基片，11-上层U形凹槽，12-上层红外光源窗口，13-上层参考红外探测器窗口，14-上层测量红外探测器窗口；2-下层基片，21-下层U形凹槽，22-下层红外光源窗口，23-下层参考红外探测器窗口，24-下层测量红外探测器窗口；3-红外光源窗口，4-参考红外探测器窗口，5-测量红外探测器窗口，6-双抛物柱面结构，7-气孔。
图4为本发明中双抛物柱面结构的微型气体传感器腔室的红外光源窗口的原理示意图。
图5为本发明实施例中双抛物柱面结构的微型气体传感器腔室与对比例的光学仿真测试结果对比图；其中，(a)为实施例，(b)为对比例。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案与有益效果更加清楚明白，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例提供了一种双抛物柱面结构的微型气体传感器腔室设计，其结构如图1所述，具体包括：上层基片1与下层基片2，所述上层基片1与下层基片2内部均开设U形凹槽、且两个U形凹槽呈镜像分布，上层基片1与下层基片1通过键合或粘合方式连接后内部形成U形气室(其水平截面，即XOY平面截面呈U形)；U形气室一端为红外光源窗口3，另一端呈分支状、分别为参考红外探测器窗口4与测量红外探测器窗口5，红外光源窗口3、参考红外探测器窗口4与测量红外探测器窗口5依次均匀分布于同一侧；所述上层基片的U形凹槽内部均匀分布有气孔7、即呈U形分布，用于通入待测气体；所述红外光源窗口3处设置双抛物柱面结构，红外光源垂直设置(光出射面为XOZ平面)于红外光源窗口，红外光源发出的红外光进入U形气室，在两侧的抛物柱面经过多次反射后实现光形汇聚并向前传输，由参考红外探测器窗口4与测量红外探测器窗口5出射、并被参考红外探测器与测量红外探测器对应接收，实现待测气体的浓度检测。
进一步的，所述上层基片1如图2所示，其内部开设有上层U形凹槽11；上层U形凹槽一端为上层红外光源窗口12，另一端呈分支状、分别为上层参考红外探测器窗口13与上层测量红外探测器窗口14，三个窗口依次均匀分布于同一侧；
所述下层基板2如图3所示，其内部开设有下层U形凹槽21；下层U形凹槽一端为下层红外光源窗口22，另一端呈分支状、分别为下层参考红外探测器窗口23与下层测量红外探测器窗口24，三个窗口依次均匀分布于同一侧；
所述上层基片1与下层基片1连接后内部形成U形气室，上层红外光源窗口12与下层红外光源窗口22对应、上层参考红外探测器窗口13与下层参考红外探测器窗口23对应、上层测量红外探测器窗口14与下层测量红外探测器窗口24对应、分别形成U形气室的红外光源窗口、参考红外探测器窗口与测量红外探测器窗口，三个窗口沿XOZ平面均呈矩形。
进一步的，所述红外光源窗口3采用的双抛物柱面结构的水平截面(沿XOY平面)及原理示意图如图4所示，根据抛物线的性质，由焦点处发出的光经抛物线形成的柱面折射后，光将平行于抛物线轴的方向(y方向)反射射出；因此，将拥有平行光轴的两个相同抛物线如图4平行放置，两抛物线焦点(F与F’)均位于另一抛物线之上，焦点的连线即作为红外光源窗口(具体尺寸匹配红外光源)；根据抛物柱面的性质，经红外光源窗口入射的红外光经抛物柱面反射，进入U形气体腔室的红外光入射角明显减小，实现了光的聚拢效果，提升了红外光的传输效率；同时，根据光的反射原理，光在气体腔室中多次反射形成的传输路径，明显长于U形凹槽中心路径的长度，实现了气体腔室的长光路，提高了气体传感器的灵敏度。
进一步的，所述U形气室的内壁镀有厚度为50～300nm的金薄膜，即：上层U形凹槽11与下层U形凹槽21的内部表面及侧壁均镀有厚度为50～300nm的金薄膜。
进一步的，所述上层基片与下层基片的材质可为单晶硅基晶圆，U形凹槽可通过干法腐蚀或湿法腐蚀等刻蚀工艺加工出来，气孔可用深反应离子刻蚀的刻蚀工艺加工出来；所述上层基片与下层基片的材质可为铜、铝合金、模具钢等金属，U形凹槽及气孔可通过高精度机械加工的方式加工出来。
在一个实施例中，上层基片由硅基晶圆加工而成，其制备过程是利用硅的各向异性腐蚀技术，首先在制作拥有双抛物线结构入光口及U形凹槽横截面形状的掩膜版，在特定的取向的单晶硅衬底上进行光刻，利用各向异性腐蚀技术加工出U形凹槽，凹槽的高度d小于晶圆厚度e；其次，利用深反应离子刻蚀技术，在凹槽内部刻蚀出气孔，气孔均匀分布在U形凹槽内部；最后，为提高红外光在微型气体腔室内的反射效率，通过磁控溅射镀膜技术，在上层基片表面、U形凹槽内壁及侧壁上镀反射性能较好的金金属反射薄膜。
在一个实施例中，下层基片由硅基晶圆加工而成，其内部U形凹槽与上层基片镜像对称，制备过程是利用硅的各向异性腐蚀技术，首先在制作拥有双抛物线结构入光口及U形凹槽横截面形状的掩膜版，在特定的取向的单晶硅衬底上进行光刻，利用各向异性腐蚀技术加工出U形凹槽，凹槽的高度d小于晶圆厚度e；其次，为提高红外光在微型气体腔室内的反射效率，通过磁控溅射镀膜技术，在下层基片表面、U形凹槽内壁及侧壁上镀反射性能较好的金金属反射薄膜。
在一个实施例中，微型气体腔室由上层基片与下层基片金-金金属键合方式连接组装而成，在高温高压下，上层基片表面与下层基片表面的金原子相互扩散，形成一层扩散层，将两基片粘在一起，起到键合与密封的作用。
在一个实施例中，对本发明中微型气体腔室进行光学仿真实验，同时以无双抛物柱面聚光结构的微型气体腔室作为对比例；仿真测试中，光源的有效发光面积设置为0.7×0.7mm2，光源类型为Lambertain光源，光通量为1W，参考红外探测器及测量红外探测器有效光接收面均为1.1×1.1mm2；仿真测试结果如图5所示，本发明中拥有双抛物柱面聚光结构的微型气体腔室总光利用率为55.75％，参考红外探测器窗口光利用率为22.72％，测量红外探测器窗口光利用率为33.03％；而对比例中无双抛物柱面聚光结构的微型气体腔室总光利用率为50.52％，参考红外探测器窗口光利用率为22.88％，测量红外探测器窗口光利用率为27.64％；经对比，参考红外探测器窗口光利用率提升7.48％，测量红外探测器窗口光利用率提升19.48％，总光利用率提升10.35％。经过上述光学仿真测试证明，本发明中双抛物柱面聚光结构的微型气体腔室提高了光的传输效率，在微型体积中实现了较长的光传输路径，提升了气体传感器的灵敏度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (7)
1.一种双抛物柱面结构的微型气体传感器腔室，包括：上层基片(1)与下层基片(2)；其特征在于，所述上层基片与下层基片内部均开设U形凹槽、且两个U形凹槽呈镜像分布，上层基片与下层基片连接后于内部形成U形气室；U形气室一端为红外光源窗口(3)，另一端呈分支状、分别为参考红外探测器窗口(4)与测量红外探测器窗口(5)，红外光源窗口、参考红外探测器窗口与测量红外探测器窗口依次均匀分布于同一侧；所述上层基片的U形凹槽内部均匀分布有气孔(7)；所述红外光源窗口处设置双抛物柱面结构(6)，红外光源垂直设置于红外光源窗口。
2.按权利要求1所述双抛物柱面结构的微型气体传感器腔室，其特征在于，在U形气室的U形截面中，双抛物柱面结构呈对称结构、由两条抛物线与红外光源窗口相切形成，红外光源窗口两侧端点分别位于两条抛物线的各自对称轴上，且任一抛物线的焦点位于另一抛物线上。
3.按权利要求1所述双抛物柱面结构的微型气体传感器腔室，其特征在于，U形气室的内壁镀有厚度为50～300nm的金薄膜。
4.按权利要求1所述双抛物柱面结构的微型气体传感器腔室，其特征在于，所述上层基片与下层基片采用硅基晶圆，U形凹槽通过干法腐蚀工艺或湿法腐蚀工艺加工形成，气孔通过深反应离子刻蚀工艺加工形成。
5.按权利要求1所述双抛物柱面结构的微型气体传感器腔室，其特征在于，所述上层基片与下层基片采用铜、铝合金或模具钢，U形凹槽及气孔通过机械加工形成。
6.按权利要求1所述双抛物柱面结构的微型气体传感器腔室，其特征在于，上层基片与下层基片通过键合或粘合方式进行连接。
7.按权利要求1所述双抛物柱面结构的微型气体传感器腔室，其特征在于，待测气体由气孔通入U形气室，红外光源发出的红外光进入U形气室，于双抛物柱面结构处经过多次反射后实现光形汇聚并向前传输，由参考红外探测器窗口与测量红外探测器窗口出射、并被参考红外探测器与测量红外探测器对应接收，实现待测气体的浓度检测。
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| CN202310758227.1A CN116773479A (zh) | 2023-06-26 | 2023-06-26 | 一种双抛物柱面结构的微型气体传感器腔室 |
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| CN116773479A true CN116773479A (zh) | 2023-09-19 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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2023
- 2023-06-26 CN CN202310758227.1A patent/CN116773479A/zh active Pending
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