气体传感器及其制备方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
气体传感器及其制备方法
本专利技术涉及一种气体传感器，尤其涉及一种非色散红外（NDIR）气体传感器及其制备方法。
技术介绍
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：（1）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、气体腔室、滤光镜、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及其制备方法予以改进，以解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种器件体积小，封装成本低的红外气体传感器。为实现上述专利技术目的，本专利技术提供了一种制备红外气体传感器的方法，所述红外气体传感器包括红外光源、气体腔室、滤光镜和红外探测器，制备红外气体传感器的方法包括如下步骤：提供第一硅基晶圆，在所述第一硅基晶圆的同一侧制作红外光源和红外探测器；提供双抛的第二硅基晶圆，在所述第二硅基晶圆上制作滤光镜、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，所述滤光镜位于所述第二气体通道的开口处或内部，所述滤光镜与所述第二气体通道轴向重合；提供第三硅基晶圆，在所述第三硅基晶圆上制作气体腔室，所述气体腔室具有与两个所述气体通道对应的两个端口；将所述第一硅基晶圆、所述第二硅基晶圆和所述第三硅基晶圆依次键合形成一个整体，所述第一气体通道将所述红外光源和其中一个所述端口连通，所述第二气体通道将所述红外探测器和另一个所述端口连通；在所述第三硅基晶圆上制作与所述气体腔室连通的气体通孔。作为本专利技术的进一步改进，所述气体腔室采用干法刻蚀和/或湿法腐蚀的制备方法。作为本专利技术的进一步改进，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。作为本专利技术的进一步改进，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。作为本专利技术的进一步改进，制备红外气体传感器的方法还包括在所述气体腔室的内壁上制作反射薄膜。为实现上述专利技术目的，本专利技术还提供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，所述滤光镜与所述第二气体通道轴向重合；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。作为本专利技术的进一步改进，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。作为本专利技术的进一步改进，所述气体腔室的内壁设有反射薄膜。作为本专利技术的进一步改进，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。作为本专利技术的进一步改进，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折线形。作为本专利技术的进一步改进，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环形。作为本专利技术的进一步改进，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曲线形。作为本专利技术的进一步改进，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。本专利技术的有益效果是：本专利技术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是本专利技术的气体传感器整体结构的截面示意图。图2a~2f为本专利技术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技术的目的、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技术进行详细描述。请参阅图1~图7b所示，本技术提供一种体积小、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。所述第二硅基本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备红外气体传感器的方法，所述红外气体传感器包括红外光源、气体腔室、滤光镜和红外探测器，其特征在于：制备红外气体传感器的方法包括如下步骤：提供第一硅基晶圆，在所述第一硅基晶圆的同一侧制作红外光源和红外探测器；提供双抛的第二硅基晶圆，在所述第二硅基晶圆上制作滤光镜、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，所述滤光镜位于所述第二气体通道的开口处或内部；提供第三硅基晶圆，在所述第三硅基晶圆上制作气体腔室，所述气体腔室具有与两个所述气体通道对应的两个端口；将所述第一硅基晶圆、所述第二硅基晶圆和所述第三硅基晶圆依次键合形成一个整体，所述第一气体通道将所述红外光源和其中一个所述端口连通，所述第二气体通道将所述红外探测器和另一个所述端口连通；在所述第三硅基晶圆上制作与所述气体腔室连通的气体通孔。

【技术特征摘要】
1.一种制备红外气体传感器的方法，所述红外气体传感器包括红外光源、气体腔室、滤光镜和红外探测器，其特征在于：制备红外气体传感器的方法包括如下步骤：提供第一硅基晶圆，在所述第一硅基晶圆的同一侧制作红外光源和红外探测器；提供双抛的第二硅基晶圆，在所述第二硅基晶圆上制作滤光镜、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，所述滤光镜位于所述第二气体通道的开口处或内部，所述滤光镜与所述第二气体通道轴向重合；提供第三硅基晶圆，在所述第三硅基晶圆上制作气体腔室，所述气体腔室具有与两个所述气体通道对应的两个端口；将所述第一硅基晶圆、所述第二硅基晶圆和所述第三硅基晶圆依次键合形成一个整体，所述第一气体通道将所述红外光源和其中一个所述端口连通，所述第二气体通道将所述红外探测器和另一个所述端口连通；在所述第三硅基晶圆上制作与所述气体腔室连通的气体通孔。2.根据权利要求1所述的制备红外气体传感器的方法，其特征在于：所述气体腔室采用干法刻蚀和/或湿法腐蚀的制备方法。3.根据权利要求1所述的制备红外气体传感器的方法，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。4.根据权利要求1所述的制备红外气体传感器的方法，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。5.根据权利要求1~4任意一项所述的制备红外气体传感器的方法，其特征在于：制备红外气体传感器的方法还包括在所述气体腔室的内壁上制作反射薄膜。6.一种红外气体传感器，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗雯雯，
申请(专利权)人：苏州诺联芯电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32