CN204374076U - 多功能红外气体传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型所设计的多功能红外气体传感器，包括红外特征滤光片和热电堆红外探测器，热电堆红外探测器包括多个感测单元，每个感测单元包括硅基体、框架、热电堆、支撑臂、红外吸收层和刻蚀开口，硅基体中心通过框架设置刻蚀开口，在硅基体上设置支撑臂，支撑臂上间隔设置有热电堆，红外吸收层悬浮于框架中间，通过支撑臂与框架固定连接，硅基体和悬浮于框架中间的红外吸收层分别构成热电堆的冷结区和热结区。

Description

多功能红外气体传感器

技术领域

传感器领域，特别是一种红外气体传感器。

背景技术

目前市面上所能买到的红外气体传感器普遍存在功能单一，体积大，结构设计差，牢固性差，薄膜易碎裂、温度漂移严重等问题，同时还具有生产工艺复杂，成品率低的缺点。造成上述结果的原因在于，其滤光片的生产工艺较为落后，且传感器的集成化程度低，若需要检测不同的气体，则只能通过多窗口结构实现，使得整个传感器的体积无法缩小。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型设计了一种集成化程度高，结构设计合理，多功能。微小话的多功能红外气体传感器。

为了达到上述目的，本实用新型所设计的多功能红外气体传感器，包括红外特征滤光片和热电堆红外探测器，热电堆红外探测器包括多个感测单元，每个感测单元包括硅基体、框架、热电堆、支撑臂、红外吸收层和刻蚀开口，硅基体中心通过框架设置刻蚀开口，在硅基体上设置支撑臂，支撑臂上间隔设置有热电堆，红外吸收层悬浮于框架中间，通过支撑臂与框架固定连接，硅基体和悬浮于框架中间的红外吸收层分别构成热电堆的冷结区和热结区。

其中所述的支撑臂和红外吸收层是由在单晶硅上淀积的氧化硅和氮化硅复合膜构成的。

其中所述的刻蚀开口为干法刻蚀硅基体构成的。

其中所述的红外特征滤光片均分为多个区域，每个区域镀制不同的窄带滤光膜，同时每个区域对应设置有多个感测单元。

更进一步的方案是，多功能红外气体传感器，设有多个热点对红外探测器并联连接，且热电堆红外探测器通过场效应管连接逻辑运算电路，逻辑运算电路再连接自动显示设备、自动报警设备、自动排气扇设备其中的一项或多项。

本实用新型所设计的多功能红外气体传感器，感测单元结构设计合理，设计了用于特殊的悬浮结构，以及能用于干法刻蚀的刻蚀开口，使得整个结构能较好的适应干法刻蚀。由于干法刻蚀的各向同性，腐蚀开口的形状可以多种多样, 不同于湿法腐蚀开口必须严格沿着特定晶向排布，大大增加了设计的灵活性。同时大大降低了工艺难度，避免了湿法腐蚀的诸多问题。另一方面，干法刻蚀使得刻蚀开口的设计更加多样化，进而可以优化探测器的几何构型，其所有结构都是由标准CMOS 工艺中最常见的材料构成， 便于将模拟放大器等后端信号处理电路整合到传感器中。在几何尺寸2 mm×2 mm 区域内可实现热偶对数20，串联电阻16~18kΩ。通过调整离子注入剂量和能量, 可以进一步减小串联电阻, 进而提高探测率和响应率。最终达到高成功率的制作出多单元的传感器，实现了传感器热电堆芯片的多功能性、智能化、集成化和微小化。

对于红外特征滤光片，采用耐温200℃的光刻胶，对待生产的滤光片基板，进行每掩膜一次镀制一种窄带滤光膜的方法，生产出单个元件上分区域镀制不同特征吸收光谱的红外特征滤光片。目前可实现在5mm×5mm区域内镀出4～5种红外窄带滤光膜。相比与现有的多窗口的传感器，单红外特征滤光片多通道红外传感器具有以下优势：

单红外特征滤光片多通道红外传感器可以做到体积更小型化；

单红外特征滤光片的封装工序简单，成品率高，效率高成、本更低；

单红外特征滤光片封装的气密性一般可达到10^-9 Pa，而传统多窗口传感器的气密性测试通常只能达到10^-5～10^-6 Pa。

综上所述，本实用新型所得到的本产品的技术创新点主要体现在以下方面：

创新点一： 红外特征滤光片的多通道集成化

要实现多功能红外气体传感器的多功能性，必须要解决红外特征滤光片的多通道透过不同特征吸收波长的问题。基于MEMS工艺技术，采用光刻掩膜技术，完成了多通道窄带红外特征滤光片的设计制造。通过对镀膜基板进行多次光刻掩膜工艺，依次多种红外窄带滤光片的生产。从而为实现产品的多功能性和集成化迈出了第一步。

创新点二：多热电堆设计实现智能化

在拥有多通道红外特征滤光片的基础上，基于MEMS技术的IC设计工艺设计制作了与红外特征滤光片对应匹配的多个热电堆均布结构，并联每个感测元件，监测到所探测的不同气体组分的电信号后，由场效应管放大后经由后端电路按编制好的程序进行逻辑运算，实现监测数据的自动显示或相应的自动报警、自动启动排气扇通风等智能化触发功能。

创新点三：红外特征滤光片的高致密性和低温漂，提高产品稳定性，由于红外特征滤光片是传感器的窗口，在使用时是暴露在自然环境中的，所以红外特征滤光片的可靠性是影响传感器性能的重要因素。本项目红外特征滤光片采用离子源辅助镀膜工艺，大大提高了膜层的致密性。使红外特征滤光片能满足在-50℃到150℃的环境下，特征波长因为温度变成产生的漂移量在0.5‰以内，且不会出现破裂，卷起起皮等物理损伤。由此保持了传感器的高稳定性和可靠性。

附图说明

图1是感测单元结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图对本实用新型作进一步的描述。

实施例1。

如图1所示，本实用新型所设计的多功能红外气体传感器，包括红外特征滤光片和热电堆3红外探测器，热电堆3红外探测器包括多个感测单元，每个感测单元包括硅基体1、框架2、热电堆3、支撑臂4、红外吸收层5和刻蚀开口6，硅基体1中心通过框架2设置刻蚀开口6，在硅基体1上设置支撑臂4，支撑臂4上间隔设置有热电堆3，红外吸收层5悬浮于框架2中间，通过支撑臂4与框架2固定连接，硅基体1和悬浮于框架2中间的红外吸收层5分别构成热电堆3的冷结区和热结区。

其中所述的支撑臂4和红外吸收层5是由在单晶硅上淀积的氧化硅和氮化硅复合膜构成的。

其中所述的刻蚀开口6为干法刻蚀硅基体1构成的。

其中所述的红外特征滤光片均分为多个区域，每个区域镀制不同的窄带滤光膜，同时每个区域对应设置有多个感测单元。

多功能红外气体传感器，设有多个热点对红外探测器并联连接，且热电堆红外探测器通过场效应管连接逻辑运算电路，逻辑运算电路再连接自动显示设备、自动报警设备、自动排气扇设备其中的一项或多项。

本项目产品对以下气体的探测性能均到达、超过国外同类产品。其具体性能如下表所示：

Claims (5)

1.一种多功能红外气体传感器，包括红外特征滤光片和热电堆红外探测器，其特征是：热电堆红外探测器包括多个感测单元，每个感测单元包括硅基体、框架、热电堆、支撑臂、红外吸收层和刻蚀开口，硅基体中心通过框架设置刻蚀开口，在硅基体上设置支撑臂，支撑臂上间隔设置有热电堆，红外吸收层悬浮于框架中间，通过支撑臂与框架固定连接，硅基体和悬浮于框架中间的红外吸收层分别构成热电堆的冷结区和热结区。

2.根据权利要求1所述的多功能红外气体传感器，其特征是：所述的支撑臂和红外吸收层是由在单晶硅上淀积的氧化硅和氮化硅复合膜构成的。

3.根据权利要求1所述的多功能红外气体传感器，其特征是：所述的刻蚀开口为干法刻蚀硅基体构成的。

4.根据权利要求1所述的多功能红外气体传感器，其特征是：所述的红外特征滤光片均分为多个区域，每个区域镀制不同的窄带滤光膜，同时每个区域对应设置有多个感测单元。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的多功能红外气体传感器，其特征是：设有多个热电堆红外探测器并联连接，且热电堆红外探测器通过场效应管连接逻辑运算电路，逻辑运算电路再连接自动显示设备、自动报警设备、自动排气扇设备其中的一项或多项。