CN117871422A - 光声光谱气体传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种光声光谱气体传感器及其制备方法。该光声光谱气体传感器包括基底层、形成于基底层上的绝缘层、以及形成于绝缘层上的功能层，功能层包括激光器、光声探测器及专用集成电路模块，激光器用于产生红外激光，光声探测器用于对目标气体被红外激光照射后产生的声波信号进行探测，专用集成电路模块用于对光声探测器探测到的声波信号进行处理以对目标气体进行检测。本申请的光声光谱气体传感器能够在同一片晶圆上实现激光器、光声探测器及专用集成电路模块的片上集成，从而能够降低传感器的体积和成本。
Description
技术领域
本申请涉及气体传感器技术领域，尤其涉及一种光声光谱气体传感器及其制备方法。
背景技术
光声光谱气体检测是一种非侵入性的气体检测技术，它将红外激光束照射在样品气体分子上，当激光通过被检测气体时，会被吸收，并迅速转化成热能，导致样品中局部温度的瞬间升高，形成声波信号。随后，利用声波信号的幅度来确定气体中化合物的类型和浓度。光声光谱气体检测拥有极高的灵敏度和准确度，在环境监测、工业安全、医学诊断等领域具有极大的应用前景。
传统的光声光谱气体传感系统主要包括激光器、光声池、声传感器、处理电路等，但是整个系统由分立元件组成，体积庞大，成本较高，而且系统性能受到装配精度的影响，这限制了光声光谱气体传感技术的大规模应用。
发明内容
本申请的目的在于提供一种光声光谱气体传感器及其制备方法，能够降低传感器的体积和成本。
本申请的一个方面提供一种光声光谱气体传感器。所述光声光谱气体传感器包括基底层、形成于所述基底层上的绝缘层、以及形成于所述绝缘层上的功能层，所述功能层包括激光器、光声探测器及专用集成电路模块，所述激光器用于产生红外激光，所述光声探测器用于对目标气体被所述红外激光照射后产生的声波信号进行探测，所述专用集成电路模块用于对所述光声探测器探测到的声波信号进行处理以对所述目标气体进行检测。
进一步地，所述光声探测器包括机械谐振器和检测电极，所述检测电极连接至所述专用集成电路模块，所述检测电极用于对所述机械谐振器在所述声波信号的作用下产生的振动进行检测。
进一步地，所述机械谐振器包括振梁固定区、振梁和动部，所述检测电极包括静部和电极固定区，所述振梁固定区和所述电极固定区均固定在所述绝缘层上，所述振梁的一端固定在所述振梁固定区，所述静部固定在所述电极固定区，所述动部设置于所述振梁的另一端并可相对于所述静部运动，所述振梁、所述动部和所述静部悬空在所述绝缘层上。
进一步地，所述振梁固定区和所述电极固定区分别通过金属导线连接至所述专用集成电路模块，所述专用集成电路模块用于对两个所述金属导线之间的电容进行检测。
进一步地，所述动部包括动梳齿，所述静部包括静梳齿，所述动梳齿和所述静梳齿为一系列薄片状结构，并且，所述动梳齿和所述静梳齿相互交错。
进一步地，所述振梁具有一阶固有谐振频率，调制所述激光器的频率以使得所述激光器产生的声波信号的频率等于所述振梁的一阶固有谐振频率。
进一步地，所述振梁为长方体结构，所述激光器沿着平行于所述振梁的长度方向发射激光，所述动部设置于所述振梁的宽度方向的一侧，所述激光的光路位于所述振梁的宽度方向的另一侧。
进一步地，所述激光的光路与所述振梁的距离大于所述激光的光斑半径。
进一步地，所述激光器的结构厚度与所述光声探测器的结构厚度相匹配，以使得所述激光的光路的高度位于所述振梁的中心高度的位置。
本申请的另一个方面提供一种如上所述的光声光谱气体传感器的制备方法。所述光声光谱气体传感器中的光声探测器包括可在产生的声波信号的驱动下运动的可动结构。所述制备方法包括：
选择SOI硅片，所述SOI硅片包括硅衬底层、位于中间层的二氧化硅层及硅顶层三层结构，其中，所述硅衬底层作为所述光声光谱气体传感器的基底层，所述二氧化硅层作为所述光声光谱气体传感器的绝缘层；
在所述SOI硅片上制备激光器，包括：将对应激光器区域的硅顶层的硅材料完全刻蚀，露出二氧化硅层，将一InP晶圆与露出的二氧化硅层键合，在所述InP晶圆上制备III-V族半导体材料形成所述激光器；
在所述SOI硅片上通过MEMS工艺制备光声探测器，包括：在所述硅衬底层的背面，将对应光声探测器的可动结构部分的硅衬底层和二氧化硅层完全刻蚀，并溅射一层牺牲层；在硅顶层刻蚀出所述光声探测器的结构；去除牺牲层，以使所述光声探测器的可动结构悬空；及
在所述SOI硅片对应专用集成电路模块的硅顶层区域通过CMOS工艺制备所述专用集成电路模块的电路结构。
本申请一个或多个实施例的光声光谱气体传感器及其制备方法可以在同一片晶圆上实现激光器、光声探测器及专用集成电路模块的片上集成，从而能够使得整个传感器高度集成，可以批量生产，降低了传感器的体积和成本。
附图说明
图1为本申请一个实施例的片上集成的光声光谱气体传感器的三维示意图。
图2为本申请一个实施例的片上集成的光声光谱气体传感器的俯视图。
图3为本申请一个实施例的片上集成的光声光谱气体传感器的侧视图。
图4为本申请一个实施例的光声光谱气体传感器的制备方法的流程图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施例并不代表与本申请相一致的所有实施例。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置的例子。
在本申请实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。在本申请的说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
需要说明的是，在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
本申请提供了一种光声光谱气体传感器。本申请的光声光谱气体传感器为一种片上集成的光声光谱气体传感器，可以在同一片晶圆（例如SOI（Silicon On Insulator，绝缘体上硅）硅片）上实现激光器、光声探测器及专用集成电路模块的片上集成，从而能够使得整个传感器高度集成，可以批量生产，降低了传感器的体积和成本。
图1揭示了本申请一个实施例的片上集成的光声光谱气体传感器1的三维示意图；图2揭示了本申请一个实施例的片上集成的光声光谱气体传感器1的俯视图；图3揭示了本申请一个实施例的片上集成的光声光谱气体传感器1的侧视图。结合参照图1至图3所示，本申请一个实施例的光声光谱气体传感器1包括基底层10、形成于基底层10上的绝缘层20、以及形成于绝缘层20上的功能层30。
基底层10的材料例如可以为硅（Si），可以对绝缘层20和功能层30起到支撑作用。绝缘层20的材料例如可以为二氧化硅（SiO2），可以用来使功能层30的组件与基底层10相互绝缘。其中，基底层10和绝缘层20为半导体器件工艺线的常见基底，采用该基底的工艺例如可以包括CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）、MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统）等。
功能层30是光声光谱气体传感器1的主要功能结构。功能层30可以包括激光器31、光声探测器32及专用集成电路（ASIC，Application Specific Integrated Circuit）模块33。
激光器31可以用来产生红外激光。激光器31产生的激光的波长与目标气体分子的吸收峰波长相等。当目标气体分子被相应波长的激光照射后，目标气体分子会从基态进入激发态，随后通过热驰豫过程产生热量，并从激发态回到基态。对激光器31产生的激光进行周期性地调制，即可产生周期性的热膨胀和收缩，从而即可在目标气体中产生声波，这就是光声效应。激光器31的制造工艺可以与CMOS工艺兼容。优选地，激光器31的制造工艺例如可以包括：在绝缘层20上，可以先将InP（磷化铟）晶圆与绝缘层20键合，然后，通过以InP晶圆为基底，在InP基底上制备III-V族半导体材料，产生激光源。III-V族半导体材料是化学元素周期表中的IIIA族元素硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）、铊（Tl）等和VA族元素氮（N）、磷（P）、砷（As）、锑（Sb）、铋（Bi）等组成的化合物，例如典型的有砷化镓 GaAs、磷化铟 InP等。可以理解的是，本申请并不对激光器31的具体制备工艺和选用的具体材料进行限制，在光声光谱气体传感器1的实际应用中，激光器31的制备工艺和选用的具体材料可以根据激光器31所需的波长和类型来进行合理选择。
光声探测器32可以用来对目标气体被红外激光照射后产生的声波信号进行探测。光声探测器32可以在绝缘层20上，采用MEMS工艺制备而成，光声探测器32的结构材料例如可以为硅。
专用集成电路模块33可以用来对光声探测器32探测到的声波信号进行处理以对目标气体进行检测。专用集成电路模块33可以通过CMOS工艺制备而成。
如图1和图2所示，光声探测器32包括机械谐振器和检测电极。检测电极连接至专用集成电路模块33，检测电极可以用来对机械谐振器在声波信号的作用下产生的振动进行检测。
在一些实施例中，机械谐振器包括振梁固定区321、振梁322和动部，检测电极包括静部和电极固定区325。振梁固定区321和电极固定区325均固定在绝缘层20上，振梁322的一端固定在振梁固定区321，静部固定在电极固定区325，动部设置于振梁322的另一端并可相对于静部运动。通过振梁固定区321和电极固定区325，将光声探测器32固定在绝缘层20上，并且，将振梁322、动部和静部悬空在绝缘层20上，而不与绝缘层20接触。
振梁固定区321和电极固定区325可以分别通过一根金属导线（未图示）连接至专用集成电路模块33，专用集成电路模块33可以对两个金属导线之间的电容进行检测，并输出电压信号，作为整个光声光谱气体传感器1的输出信号。通过对光声光谱气体传感器1的输出信号进行相应的分析和处理，可以实现对目标气体的检测，例如目标气体中化合物的类型和浓度等的检测。
如图2所示，在一些优选的实施例中，机械谐振器的动部可以包括动梳齿323，检测电极的静部可以包括静梳齿324，动梳齿323和静梳齿324均为一系列薄片状结构，并且，动梳齿323和静梳齿324相互交错。可选地，动梳齿323和静梳齿324的间隙为2~5μm。机械谐振器的动部和检测电极的静部采用这种梳齿式的结构设计，可以有效提升机械谐振器和检测电极之间的有效正对面积，降低电极间距，从而提升电容检测灵敏度。
在一些实施例中，振梁322为长方体结构，如图2所示，振梁322的长度方向例如为X方向，振梁322的宽度方向例如为Y方向。振梁322的长度远大于振梁322的宽度。可选地，振梁3222-2的宽度可以为4~8μm。在图2中，激光器31沿着平行于振梁322的长度方向（即X方向）发射激光，动梳齿323设置于振梁322的宽度方向（即Y方向）的一侧，发射的激光的光路310位于振梁322的宽度方向的另一侧，即位于振梁322的不具有动梳齿323的一侧。
如图3所示，激光器31发射的激光的光路310与振梁322的距离略大于激光的光斑半径，从而，保证激光不会照射到振梁322上，产生额外的光声信号。可选地，激光的光路310与振梁322的距离等于激光的光斑半径加上10~100μm。
当使用本申请的光声光谱气体传感器1来检测目标气体时，可以将本申请的光声光谱气体传感器1暴露于目标气体中，光声光谱气体传感器1中的激光器31发射红外激光，当发射的红外激光照射到目标气体时，由于光声效应，激光的光路310会在沿途产生柱面声波，驱动机械谐振器的振梁322振动。振梁322的振动模式为绕着振梁固定区321与振梁322的接触区域转动。因为动梳齿323设置于振梁322的自由端，因此，振梁322的转动会带动动梳齿323的运动。由于光声波非常微弱，产生的振动位移很小，因此，机械谐振器的动梳齿323可以认为是沿着Y方向往复运动，动梳齿323与静梳齿324的正对面积将随之改变，从而产生电容变化。
本申请的机械谐振器的动梳齿323与检测电极的静梳齿324之间可以构成多个平行板电容器。平行板电容器的计算公式如以下公式所示：
（1）
其中，代表动梳齿323与静梳齿324构成的每一个平行板电容器的电容，/>代表目标气体的介电常数，/>代表动梳齿323与静梳齿324之间的正对面积，/>代表动梳齿323与静梳齿324之间的间隙。
当机械谐振器的动梳齿323沿着Y方向运动时，动梳齿323与静梳齿324之间的间隙不变，而动梳齿323与静梳齿324之间的正对面积将发生改变，因此，根据上述公式（1）可知，机械谐振器与检测电极之间的电容将会发生变化。例如，对激光器31产生的激光进行周期性地调制，目标气体即可产生周期性的热膨胀和收缩，在目标气体中产生声波。当目标气体受热膨胀时，产生的声波推动振梁322沿着Y正方向运动，振梁322进而带动动梳齿323朝向Y正方向运动，动梳齿323与静梳齿324之间的正对面积将会增大，因此，机械谐振器与检测电极之间的电容将会随之变大。当目标气体收缩时，振梁322会沿着Y负方向运动，进而带动动梳齿323朝着Y负方向运动，动梳齿323与静梳齿324之间的正对面积将会减小，因此，机械谐振器与检测电极之间的电容将会随之变小。进而，可以通过电容的变化来实现对目标气体的相应检测。
振梁322具有一阶固有谐振频率，其与振梁322的材料特性和尺寸相关。调制激光器31的频率以使得激光器31产生的声波信号的频率等于振梁322的一阶固有谐振频率。此时，振梁322处于谐振状态，振梁322的振幅将达到最大值，即光声光谱气体传感器1的灵敏度达到最大。
如图3所示，激光器31的结构厚度与光声探测器32的结构厚度相匹配，以使得激光的光路310的高度位于振梁322的中心高度的位置。从而，可以使声波垂直入射到振梁322上，否则会降低振梁322受到的声波压力。可选地，光声探测器32的高度可以为60~100μm（微米），从而可以增加声波接收面积和电容检测灵敏度。
本申请还提供了一种上述光声光谱气体传感器1的制备方法。图4揭示了本申请一个实施例的光声光谱气体传感器1的制备方法的流程图。
下面将结合图4来简述本申请一个实施例的光声光谱气体传感器1的激光器31、光声探测器32及专用集成电路模块33的具体制备工艺流程。
在一些实施例中，如图4所示，本申请一个实施例的光声光谱气体传感器1的制备方法可以包括步骤S1至步骤S4。
步骤S1对于制备激光器31、光声探测器32及专用集成电路模块33是共用的。在步骤S1中，晶圆选择：选择SOI硅片作为整个光声光谱气体传感器1的基础晶圆，SOI硅片包含硅衬底层、位于中间的二氧化硅层及硅顶层三层结构。其中，硅衬底层作为光声光谱气体传感器1的基底层10，二氧化硅层作为光声光谱气体传感器1的绝缘层20。
在步骤S2中，在步骤S1选择的SOI硅片上制备激光器31。其中，步骤S2的激光器31的制备工艺可以进一步包括步骤S21、步骤S22及步骤S23。
在步骤S21中，将对应激光器31区域的硅顶层的硅材料完全刻蚀，露出二氧化硅层。
在步骤22中，将一InP晶圆与露出的二氧化硅层键合。
在步骤23中，在InP晶圆上制备III-V族半导体材料形成半导体激光器。
在步骤S3中，在步骤S1选择的SOI硅片上通过MEMS工艺制备光声探测器32。其中，步骤S3的光声探测器32的MEMS制备工艺可以进一步包括步骤S31、步骤S32及步骤S33。
在步骤S31中，牺牲层制备：在硅衬底层的背面，利用光刻、刻蚀等技术，将对应光声探测器32的可动结构（即振梁322和动梳齿323）部分的硅衬底层和二氧化硅层完全刻蚀，并溅射一层牺牲层（铝）。
在步骤S32中，功能层刻蚀：利用光刻、刻蚀等技术，在硅顶层刻蚀出光声探测器32的结构。
在步骤S33中，牺牲层去除：通过选择腐蚀等方式去除牺牲层，以使光声探测器32的可动结构部分悬空。
在步骤S4中，在步骤S1选择的SOI硅片上通过CMOS工艺制备专用集成电路模块33。其中，步骤S4的专用集成电路模块33的CMOS制备工艺可以进一步包括步骤S41。
在步骤S41中，在对应专用集成电路模块的硅顶层区域进行氧化、光刻、刻蚀、离子注入等过程，形成晶体管等电路结构。
本申请的光声光谱气体传感器的制备方法可以利用同一片SOI硅片，在该SOI硅片上同时集成激光器31、光声探测器32及专用集成电路模块33，激光器31、光声探测器32及专用集成电路模块33三者可以共用硅衬底层作为基底层10和二氧化硅层作为绝缘层20，从而，实现了整个光声光谱气体传感器1的片上集成，能够适合大规模生产，极大地降低了传感器的整体体积和制造成本。
以上对本申请实施例所提供的光声光谱气体传感器及其制备方法进行了详细的介绍。本文中应用了具体个例对本申请实施例的光声光谱气体传感器及其制备方法进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的核心思想，并不用以限制本申请。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请的精神和原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也均应落入本申请所附权利要求书的保护范围内。
Claims (10)
1.一种光声光谱气体传感器，其特征在于，包括基底层、形成于所述基底层上的绝缘层、以及形成于所述绝缘层上的功能层，所述功能层包括激光器、光声探测器及专用集成电路模块，所述激光器用于产生红外激光，所述光声探测器用于对目标气体被所述红外激光照射后产生的声波信号进行探测，所述专用集成电路模块用于对所述光声探测器探测到的声波信号进行处理以对所述目标气体进行检测。
2.如权利要求1所述的光声光谱气体传感器，其特征在于，所述光声探测器包括机械谐振器和检测电极，所述检测电极连接至所述专用集成电路模块，所述检测电极用于对所述机械谐振器在所述声波信号的作用下产生的振动进行检测。
3.如权利要求2所述的光声光谱气体传感器，其特征在于，所述机械谐振器包括振梁固定区、振梁和动部，所述检测电极包括静部和电极固定区，所述振梁固定区和所述电极固定区均固定在所述绝缘层上，所述振梁的一端固定在所述振梁固定区，所述静部固定在所述电极固定区，所述动部设置于所述振梁的另一端并可相对于所述静部运动，所述振梁、所述动部和所述静部悬空在所述绝缘层上。
4.如权利要求3所述的光声光谱气体传感器，其特征在于，所述振梁固定区和所述电极固定区分别通过金属导线连接至所述专用集成电路模块，所述专用集成电路模块用于对两个所述金属导线之间的电容进行检测。
5.如权利要求3所述的光声光谱气体传感器，其特征在于，所述动部包括动梳齿，所述静部包括静梳齿，所述动梳齿和所述静梳齿为一系列薄片状结构，并且，所述动梳齿和所述静梳齿相互交错。
6.如权利要求3所述的光声光谱气体传感器，其特征在于，所述振梁具有一阶固有谐振频率，调制所述激光器的频率以使得所述激光器产生的声波信号的频率等于所述振梁的一阶固有谐振频率。
7.如权利要求3所述的光声光谱气体传感器，其特征在于，所述振梁为长方体结构，所述激光器沿着平行于所述振梁的长度方向发射激光，所述动部设置于所述振梁的宽度方向的一侧，所述激光的光路位于所述振梁的宽度方向的另一侧。
8.如权利要求7所述的光声光谱气体传感器，其特征在于，所述激光的光路与所述振梁的距离大于所述激光的光斑半径。
9.如权利要求8所述的光声光谱气体传感器，其特征在于，所述激光器的结构厚度与所述光声探测器的结构厚度相匹配，以使得所述激光的光路的高度位于所述振梁的中心高度的位置。
10.一种如权利要求1所述的光声光谱气体传感器的制备方法，其特征在于，所述光声光谱气体传感器中的光声探测器包括可在产生的声波信号的驱动下运动的可动结构，所述制备方法包括：
选择SOI硅片，所述SOI硅片包括硅衬底层、位于中间层的二氧化硅层及硅顶层三层结构，其中，所述硅衬底层作为所述光声光谱气体传感器的基底层，所述二氧化硅层作为所述光声光谱气体传感器的绝缘层；
在所述SOI硅片上制备激光器，包括：将对应激光器区域的硅顶层的硅材料完全刻蚀，露出二氧化硅层，将一InP晶圆与露出的二氧化硅层键合，在所述InP晶圆上制备III-V族半导体材料形成所述激光器；
在所述SOI硅片上通过MEMS工艺制备光声探测器，包括：在所述硅衬底层的背面，将对应光声探测器的可动结构部分的硅衬底层和二氧化硅层完全刻蚀，并溅射一层牺牲层；在硅顶层刻蚀出所述光声探测器的结构；去除牺牲层，以使所述光声探测器的可动结构悬空；及
在所述SOI硅片对应专用集成电路模块的硅顶层区域通过CMOS工艺制备所述专用集成电路模块的电路结构。
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