CN204495713U - 气体传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种红外气体传感器包括第一硅基晶圆，所述第一硅基晶圆间隔设有位于同一侧的红外光源和红外探测器；与所述第一硅基晶圆键合的双抛的第二硅基晶圆，所述第二硅基晶圆上具有滤光镜、分别与所述红外光源和所述红外探测器相对应的第一气体通道和第二气体通道，所述滤光镜位于第二气体通道的开口处或内部；与所述第二硅基晶圆背离所述第一硅基晶圆的一侧键合的第三硅基晶圆，所述第三硅基晶圆朝向所述第二硅基晶圆的一侧设有气体腔室，所述气体腔室具有分别与两个所述气体通道相对应的两个端部、与外界连通的两个气体通孔。该红外气体传感器的体积小，封装成本低。

Description

气体传感器

技术领域

本实用新型涉及一种气体传感器，尤其涉及一种非色散红外（NDIR）气体传感器。

背景技术

非色散红外（NDIR）气体传感器作为一种快速、准确的气体分析技术在实际应用中十分普遍，具有可靠性高、选择性好、精度高、无毒、受环境干扰小、寿命长等诸多优点。

NDIR气体传感器的基本原理是当红外光通过待测气体时，气体分子对特定波长的红外光有吸收，其吸收关系服从郎伯-比尔吸收定律，即光强在气体介质中随气体浓度及光程按指数规律衰减，吸收系数取决于气体特性，常用的计算公式为：

其中，I为有气体吸收时到达探测器的红外光强，I₀为没有气体吸收时的光强，C为腔室内气体浓度，L为腔室长度或红外光光程，μ为气体的吸收系数。一般而言，为了提高探测灵敏度，需要增加一个滤光片，使对应待测气体最大吸收系数的单色光到达探测器。

   传统的NDIR气体传感器是由分立的红外光源、滤光镜、气体腔室、红外探测器等分立部件组成。其中，红外光源、滤光镜、红外探测器都是单独封装的器件，封装体积较大；根据（1）式，光强衰减程度随着气体腔室长度的增大而增大，因此传统的直线形气体腔室一般具有很大的体积。因此，由这些分立器件组合而成的NDIR气体传感器一方面具有较高的封装成本，另一方面也具有较大的体积，使得其大规模推广和微型化应用受到很大的限制。

   随着微加工技术的深入发展，目前已经出现了利用微加工技术制备的广谱红外光源、可调谐滤光镜、非制冷红外探测器等具有小体积、低成本、高性能优点的产品，使NDIR气体传感器完全由微加工技术单片式集成成为了可能。

近年来，可穿戴式智能设备的兴起也越来越多的要求传感器模块微型化、多功能化，而NDIR红外气体传感器虽然具有探测精度高、使用寿命长、稳定性好等优点，但其相对庞大的体积一直制约着这种传感器在可穿戴式只能设备中的应用。

有鉴于此，有必要对现有的红外气体传感器予以改进，以解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供器件体积小和封装成本低的红外气体传感器。

为实现上述实用新型目的，本实用新型提供了一种红外气体传感器包括：第一硅基晶圆，所述第一硅基晶圆间隔设有位于同一侧的红外光源和红外探测器；与所述第一硅基晶圆键合的双抛的第二硅基晶圆，所述第二硅基晶圆上具有滤光镜、分别与所述红外光源和所述红外探测器相对应的第一气体通道和第二气体通道，所述滤光镜位于第二气体通道的开口处或内部；与所述第二硅基晶圆背离所述第一硅基晶圆的一侧键合的第三硅基晶圆，所述第三硅基晶圆朝向所述第二硅基晶圆的一侧设有气体腔室，所述气体腔室具有分别与两个所述气体通道相对应的两个端部、与外界连通的两个气体通孔。

作为本实用新型的进一步改进，所述气体腔室具有分别与两个所述气体通道相对应以改变红外光传播方向的倾斜面。

作为本实用新型的进一步改进，所述倾斜面与所述第三硅基晶圆的表面的夹角介于40°~ 58°之间。

作为本实用新型的进一步改进，所述气体腔室的内壁设有反射薄膜。

作为本实用新型的进一步改进，所述气体腔室在平行于所述第三硅基晶圆表面的平面内的形状为直线形、折线形或者曲线形。

作为本实用新型的进一步改进，所述红外光源采用微加工技术制作的基于微加热器结构的广谱光源或窄谱光源，所述滤光镜为采用微加工技术制作的滤光镜。

作为本实用新型的进一步改进，所述红外光源的发射面、所述红外探测器的吸收面均平行于所述第一硅基晶圆的表面；所述滤光镜的透射面平行于所述第二硅基晶圆的表面。

作为本实用新型的进一步改进，所述第一硅基晶圆设有所述红外光源和所述红外探测器的表面、所述第二硅基晶圆的两个表面、所述第三硅基晶圆设有所述气体腔室的表面上均具有用于键合的介质层。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的红外气体传感器将红外光源、气体腔室、滤光镜、红外探测器采用晶圆级键合的方式集成在一个芯片上，大大降低了封装成本和器件体积，在微型红外气体传感器领域中具有应用前景。

附图说明

图1是本实用新型的气体传感器整体结构的截面示意图；

图2a~2f为本实用新型的气体传感器的关键结构及制作方法流程图；

图2a是第一硅基晶圆的结构示意图；

图2b是第二硅基晶圆的结构示意图；

图2c是第三硅基晶圆的结构示意图；

图2d是第一硅基晶圆与第二硅基晶圆键合后的结构示意图；

图2e是第一硅基晶圆、第二硅基晶圆与第三硅基晶圆键合后的结构示意图；

图2f是在图2e上制作气体通孔的结构示意图；

图3是采用SOI晶圆和各向异性湿法腐蚀方法制作气体腔室的两个端口的方法示意图；

图4是在图3基础上采用干法刻蚀方法制作的折线形状的气体腔室的平面图；

图5是图4的立体图；

图6a~6b是采用单层硅基晶圆和各向异性湿法腐蚀方法制作的气体腔室的方法的平面图；

图6a是带有抗腐蚀层未进行各向异性湿法腐蚀前的示意图；

图6b是进行各向异性湿法腐蚀后去除抗腐蚀层的示意图；

图7a是图6a的立体图；

图7b是图6b的立体图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述。

请参阅图1~图7b所示，本实用新型提供一种体积小、封装成本低的微加工单片集成式非色散红外气体传感器100及其制备方法，具体包含所述红外气体传感器100的整体结构及关键结构的设计。

请参阅图1、图2a~图2f所示，所述红外气体传感器100通过第一硅基晶圆101、双抛的第二硅基晶圆102和第三硅基晶圆103键合方式将红外光源104、气体腔室105、滤光镜106、红外探测器107集成在一个芯片上，大大降低了封装成本和器件体积，在微型红外气体传感器100领域中具有应用前景。

所述第一硅基晶圆101的抛光面一侧间隔设有红外光源104、红外探测器107和键合介质层108。所述红外光源104的发射面、所述红外探测器107的吸收面均平行于所述第一硅基晶圆101的表面。具体地，所述红外光源104为采用微加工技术制作的微加热器的广谱光源或窄谱光源，发射光谱至少覆盖待测气体的吸收波长。所述红外探测器107为采用微加工技术制作的薄膜型、非制冷红外检测器。

所述第二硅基晶圆102包括与所述第一硅基晶圆101键合的第一表面、与所述第一表面相对应的第二表面。所述第一表面或第二表面上设有与所述红外探测器107相对应的滤光镜106，所述滤光镜106为采用微加工技术制作的可调谐滤光镜106，即所述滤光镜106的透射波长可进行电调控。当然，也可以采用不可调谐的滤光镜106。所述滤光镜106的透射面平行于所述第二硅基晶圆102的表面。

所述第二硅基晶圆102还包括自所述第二表面朝向所述第一表面贯通的气体通道109，所述气体通道109包括分别与所述红外光源104、所述红外探测器107相对应的第一气体通道109和第二气体通道109。所述滤光镜106位于第二气体通道109的开口处；进一步地，所述滤光镜106与所述第二气体通道109轴向重合。

区别于上述实施例，所述滤光镜106也可以位于所述第二气体通道109的内部。

所述第三硅基晶圆103与所述第二表面键合，所述第三硅基晶圆103朝向所述第二表面的抛光面一侧设有气体腔室105、键合介质层108；所述气体腔室105自抛光面一侧朝向另一侧凹陷。所述气体腔室105具有与外界连通的两个气体通孔110、分别与两个所述气体通道109相对应的两个端口1051。

夹设于所述第一硅基晶圆101与所述第三硅基晶圆103之间的所述第二硅基晶圆102的两个表面均设有键合介质层108。所述第二硅基晶圆102和所述第三硅基晶圆103键合后，所述第二表面上除去气体通道109和键合介质层108的部分均朝向所述气体腔室105内，也成为所述气体腔室105的内壁。

所述第一硅基晶圆101、所述第二硅基晶圆102和所述第三硅基晶圆103键合成一个整体后，所述红外光源104发出的光通过第一气体通道109传播进入气体腔室105，再通过第二气体通道109、经过所述滤光镜106后到达所述红外传感器。两个所述气体通道109与所述气体腔室105的结构不限，三者配合可使得所述红外光源104发出的光在无气体吸收时完全到达所述红外气体传感器100即可。

为了使所述红外光源104发出的光能够全部到达所述红外检测器，所述气体腔室105的两个端口1051处具有分别与两个所述气体通道109相对应以改变红外光传播方向的倾斜面1052，所述倾斜面1052与所述第三硅基晶圆103的表面的夹角介于40°~58°之间。所述气体腔室105在平行于所述第三硅基晶圆103表面的平面内的形状为直线形、折线形、环形或者曲线形。当所述气体腔室105在平行于所述第三硅基晶圆103表面的平面内的形状为折线形、环形或者曲线形时，所述气体腔室105内还设有用于改变红外光传播方向倾斜角1053，所述倾斜角1053处的侧壁与相邻的侧壁之间的夹角介于120℃~145℃之间。

所述气体腔室105的内壁还设有反射薄膜。本实施例中，所述反射薄膜为通过磁控溅射等方式的厚度为50nm~1μm之间的金膜。所述金膜与所述硅基晶圆之间具有粘附层，所述粘附层为通过磁控溅射等方式在所述气体腔室105的内壁上形成的厚度在10nm~200nm之间的钛膜。

请参阅图2a~图7b所示，为实现上述实用新型目的，本实用新型还提供一种制备所述红外气体传感器100的方法，包括如下步骤：

提供第一硅基晶圆101，在所述第一硅基晶圆101抛光面的一侧制作红外光源104和红外探测器107和键合介质层108。本实施例中，所述红外光源104为采用微加工加工技术制作的微加热器的广谱光源或窄谱光源，所述红外探测器107为采用微加工技术制作的薄膜型、非制冷红外检测器。所述红外光源104的发射面、所述红外探测器107的吸收面均平行于所述第一硅基晶圆101的表面。

提供双抛的第二硅基晶圆102，在所述第二硅基晶圆102上制作滤光镜106、分别与所述红外光源104和所述红外探测器107相对应的第一气体通道109和第二气体通道109，所述滤光镜106位于所述第二气体通道109内。在所述第二硅基晶圆102上制作滤光镜106包括直接在所述第二硅基晶圆102上制作所述滤光镜106，也包括将所述滤光镜106固定于所述第二硅基晶圆102上。具体步骤如下：

提供双抛的第二硅基晶圆102，所述第二硅基晶圆102包括第一表面、与所述第一表面相对应的第二表面。在所述第一表面一侧制作滤光镜106、键合介质层108；所述滤光镜106为采用微加工技术制作的可调谐滤光镜106，所述滤光镜106的透射面平行于所述第二硅基晶圆102的表面。自所述第二表面朝向所述第一表面采用深硅干法刻蚀或湿法腐蚀的方法制作贯通的气体通道109，所述气体通道109包括分别与所述红外光源104和所述红外探测器107相对应的第一气体通道109、第二气体通道109。所述滤光镜106位于第二气体通道109的开口处，进一步地，所述滤光镜106与所述第二气体通道109轴向重合。

于另一实施例中，也可以在所述第二表面上制作滤光镜106，然后自第一表面向第二表面采用深硅干法刻蚀或湿法腐蚀的方法制作贯通的气体通道109。区别于上述实施例，所述第二气体通道109还可以从第一表面、第二表面朝向中间制作，然后再制作所述滤光镜106，使得所述滤光镜106位于所述第二气体通道109内。

提供第三硅基晶圆103，在所述第三硅基晶圆103的抛光面上采用干法刻蚀和各向异性湿法腐蚀中的一种或两种方法制作气体腔室105，并在该侧制作键合介质层108。所述气体腔室105自抛光面向另一表面凹陷，所述气体腔室105具有分别与两个所述气体通道109对应的两个端口1051；两个端口1051处具有用于改变红外光传播方向的倾斜面1052。

将所述第一硅基晶圆101与所述第二硅基晶圆102的所述第一表面键合，所述红外光源104和所述红外探测器107分别对应两个所述气体通道109。所述第三硅基晶圆103与所述第二硅基晶圆102的第二表面进行键合，所述气体腔室105的两个端口1051分别与两个所述气体通道109相对应，所述第二表面上除去气体通道109和键合介质层108的部分均朝向所述气体腔室105内，也成为所述气体腔室105的内壁。

在所述第三硅基晶圆103上制作与所述气体腔室105连通的气体通孔110。

上述制备所述红外气体传感器100的部分步骤顺序可以根据实际情况做相应的调整。

所述气体腔室105可采用干法刻蚀和/或湿法腐蚀的制备方法。请参阅图3~图5所示，本实施例中，采用SOI晶圆，结合硅干法刻蚀和各向异性湿法腐蚀技术制作所述气体腔室105。所述气体腔室105的制备方法包括如下步骤：

S1：提供厚度介于5μm~500μm之间的（100）型SOI硅基晶圆作为第三硅基晶圆103。

S2：在所述第三硅基晶圆103表面制作一层抗腐蚀层，如采用LPCVD方法沉积一层厚度介于10nm~1μm之间的氮化硅薄膜。

S3：在所述第三硅基晶圆103的抗腐蚀层上涂光刻胶，在与气体腔室105的两个端口1051对应的位置形成两个矩形窗口，采用RIE干法刻蚀的方法去除所述矩形窗口内的抗腐蚀层，所述矩形窗口的四条边都沿<110>晶向族。

S4：去除光刻胶，将所述第三硅基晶圆103放入硅各向异性腐蚀液中进行腐蚀，在所述矩形窗口的位置处形成侧壁均为（111）晶面的腐蚀槽，每个（111）晶面与所述第三硅基晶圆103的表面的夹角介于40°~58°之间，具体腐蚀槽的深度等于SOI硅基晶圆中硅层的厚度。该步骤中，所述夹角的大小可以通过调节腐蚀液成分来控制；例如，在饱和氢氧化钾（KOH）溶液中加入异丙醇（IPA）缓冲液，可以降低该溶液对（100）晶面和（111）晶面的腐蚀选择比，当这两个晶面的腐蚀选择比下降到10：3左右时，得到的腐蚀槽侧壁与表面的夹角为45°左右。所述腐蚀槽在所述气体腔室105制备完成后为即端口1051，而（111）晶面在所述气体腔室105制备完成后即为倾斜面1052。

S5：在所述第三硅基晶圆103表面涂光刻胶，以两个腐蚀槽为端点形成与所述气体腔室105相对应的窗口图形，去除窗口图形内的抗腐蚀层；

S6：采用深硅刻蚀的方法将窗口图形的位置处的第三硅基晶圆103进行刻蚀形成气体腔室105，所述气体腔室105在平行于所述第三硅基晶圆103表面的平面内的形状与所述窗口图形的形状一致，可为直线形、折线形、环形或者曲线形等。当形状为折线形、环形或者曲线形时，所述气体腔室105内还设有用于改变红外光传播方向的倾斜角1053，所述倾斜角1053处的侧壁与相邻的侧壁之间的夹角介于120℃~145℃之间。

S7：去除光刻胶，在所述气体腔室105的内壁上制作金膜作为反射薄膜。为了增强所述反射薄膜与所述气体腔室105的内壁之间的粘结性，先通过磁控溅射等方式在所述气体腔室105的内壁上形成厚度在10nm~200nm之间的钛膜作为粘附层，再在所述钛膜上通过磁控溅射等方式制作厚度为50nm~1μm之间的金膜。

另外，请参阅图6、图7a、图7b所示，本实用新型还提供一种基于普通硅基晶圆采用湿法刻蚀方法制备气体腔室105的方法，包括如下步骤：

S1：提供（100）硅基晶圆作为第三硅基晶圆103。

S2：在所述（100）硅基晶圆表面制作抗腐蚀层，如采用LPCVD方法沉积一层厚度介于10nm~1μm之间的氮化硅薄膜。

S3：在所述第三硅基晶圆103的抗腐蚀层上涂光刻胶，形成一个矩形窗口，所述矩形窗口的四条边均沿<100>晶向族，并且矩形端点位于与气体腔室105的两个端口1051对应的位置，采用RIE干法刻蚀的方法去除所述矩形窗口内的抗腐蚀层，暴露出第三硅基晶圆103；

S4：去除光刻胶，将所述第三硅基晶圆103放入硅各向异性湿法腐蚀液中进行腐蚀，在矩形窗口的短边的四个端点处会形成沿<110>晶向的倾斜腐蚀面，而在矩形窗口长边处形成垂直的腐蚀面，从而形成直线形气体腔室105。该过程中，通过调节硅各向异性湿法腐蚀液的成分，可以将倾斜腐蚀面的角度控制在40°~58°之间。所述硅各向异性湿法腐蚀液采用在饱和氢氧化钾（KOH）溶液中加入异丙醇（IPA）缓冲液的混合液。

S5：在所述气体腔室105的内壁上制作金膜作为反射薄膜。为了增强所述反射薄膜与所述气体腔室105的内壁之间的粘结性，先通过磁控溅射等方式在所述气体腔室105的内壁上形成厚度在10nm~200nm之间的钛膜作为粘附层，再在所述钛膜上通过磁控溅射等方式制作厚度为50nm~1μm之间的金膜。

综上所述，本实用新型的微加工单片集成式非色散红外气体传感器100将红外光源104、气体腔室105、滤光镜106、红外探测器107采用晶圆级键合的方式集成在一个芯片上，大大降低了封装成本和器件体积，在微型红外气体传感器100领域中具有应用前景。

需要说明的是，上述实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，说明书附图中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种红外气体传感器，其特征在于：包括：

第一硅基晶圆，所述第一硅基晶圆间隔设有位于同一侧的红外光源和红外探测器；

与所述第一硅基晶圆键合的双抛的第二硅基晶圆，所述第二硅基晶圆上具有滤光镜、分别与所述红外光源和所述红外探测器相对应的第一气体通道和第二气体通道，所述滤光镜位于第二气体通道的开口处或内部；

与所述第二硅基晶圆背离所述第一硅基晶圆的一侧键合的第三硅基晶圆，所述第三硅基晶圆朝向所述第二硅基晶圆的一侧设有气体腔室，所述气体腔室具有分别与两个所述气体通道相对应的两个端部、与外界连通的两个气体通孔。

2.根据权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于：所述气体腔室具有分别与两个所述气体通道相对应以改变红外光传播方向的倾斜面。

3.根据权利要求2所述的红外气体传感器，其特征在于：所述倾斜面与所述第三硅基晶圆的表面的夹角介于40°~ 58°之间。

4.根据权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于：所述气体腔室的内壁设有反射薄膜。

5.根据权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于：所述气体腔室在平行于所述第三硅基晶圆表面的平面内的形状为直线形、折线形或者曲线形。

6.根据权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于：所述红外光源采用微加工技术制作的基于微加热器结构的广谱光源或窄谱光源，所述滤光镜为采用微加工技术制作的滤光镜。

7.根据权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于：所述红外光源的发射面、所述红外探测器的吸收面均平行于所述第一硅基晶圆的表面；所述滤光镜的透射面平行于所述第二硅基晶圆的表面。

8.根据权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于：所述第一硅基晶圆设有所述红外光源和所述红外探测器的表面、所述第二硅基晶圆的两个表面、所述第三硅基晶圆设有所述气体腔室的表面上均具有用于键合的介质层。