化学传感器制造技术

我们公开了一种用于检测流体的化学传感装置。该传感装置包含：包括至少一个蚀刻部分的至少一个基底区域(1)；形成在所述至少一个基底区域上的介电区域(3)，所述介电区域包括与所述至少一个蚀刻部分相邻的至少一个介电膜区域(3)；用于发射红外(IR)信号的光源(2)；用于检测从所述光源发出的IR信号的光学检测器(4)；形成在所述介电区域之上或之下的一个或多个另外的基底(6)，所述一个或多个另外的基底限定用于IR信号从所述光源传播到所述光学检测器的光路。所述光源和所述光学检测器中的至少一个形成在所述介电膜区域之中或之上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】化学传感器
本专利技术涉及一种基于红外检测原理的微型化学传感器。
技术介绍
光学传感器技术能够用于检测大范围的化学物质，包括CO2、CO、NO2、VOC和醇。例如，非分散红外(NDIR)型传感器系统能够提供良好的灵敏度，稳定性和选择性。它们有许多应用，包括环境空气质量和安全监控。类似地，衰减全反射(ATR)系统也使用IR辐射来确定化学物质的组成。红外气体传感器利用光学吸收原理。当红外辐射穿过气体时，一些光能被吸收，并且在气体分子内的振动-旋转能级之间发生转变。该过程在中红外光谱(通常在2.5-16μm之间)中产生“吸收线”。吸收光谱的特征取决于分子中原子的数量和质量，以及各种化学键的性质。通常检测到的气体是二氧化碳(CO2)，其在4.26μm的波长下具有强吸收线。基本的单通道NDIR系统由宽带红外光源组成，该红外光源通过气室发射红外辐射。光学通带滤光器用于选择感兴趣的吸收波长，以及红外检测器检测发射的IR信号。当目标气体浓度低时，光学信号和气体分子之间的相互作用有限，并且因此检测到的信号很高。如果引入目标气体，则发生光吸收，并且检测到的信号水平与气体浓度成比例地下降。透射光强度由Lambert和Beer定律描述，I＝I0e-kcl其中I0是初始强度，k是气体比吸收系数(thegasspecificabsorptioncoefficient)，c是气体浓度，以及l是光学吸收路径的长度。用于该系统的红外源能够是宽带热发射器，例如MEMS红外源，红外白炽灯或黑体辐射源。或者，能够使用窄带源，例如红外二极管或激光器。选择取决于许多因素，包括光功率，光谱特性，成本和频率响应。通常，使用微型灯泡(micro-bulbs)，其具有非常便宜的优点并且在短的中红外波长下提供良好的发射。缺点是它们具有高功耗，体积庞大，并且由于玻璃外壳的光学吸收而在较长波长(>5μm)处具有有限的发射。结果，越来越多地使用MEMSIR发射器，其包括嵌入膜中的微加热器，该膜与硅基底热隔离。这些能够在更广泛的波长范围内提供良好的性能，并与其他基于芯片的技术更好地集成。有两种类型的红外(IR)检测器：热检测器和量子检测器。热检测器响应材料的加热，包括：辐射热测量计，热电堆和热电检测器。它们通常在中红外波段具有宽带响应，并且必须与滤光器一起用于气体传感应用。量子型检测器，例如光电二极管和光电导传感器，由确定其光谱响应的半导体材料制成。对于大多数光学气体传感应用，使用热检测器，因为它们提供足够的性能，不需要冷却，成本较低，并且能够集成在半导体芯片上。在所描述的基本NDIR方法的改进中，双通道系统能够用于帮助补偿系统漂移的影响，例如，由于来自源的IR发射随时间的变化。利用这种方法，使用第二“参考”检测器，其检测波长远离目标气体的吸收波长。双通道检测器通常集成在单个部件的金属封装内。已知许多NDIR传感器设计，例如USRE36277、US8471208、US20080035848、US7449694、US6469303、US6753967和US7609375。然而，它们都需要光学组件，其不能容易地与现有半导体芯片技术集成。这排除了它们在需要小外形尺寸的许多应用中的使用，例如用于移动电话。在US5834777中，Wong公开了一种用形成小尺寸的半导体技术制造的微型NDIR气体传感器，甚至包括光路。在该设计中，存在具有IR发射器和IR检测器的基底，以及被蚀刻以形成光路的第二基底，并且两个基底连接在一起以形成光波导。扩散型气体样品室形成在波导内并插入光源和光学检测器之间的光路中。然而，该装置在光路下方和上方具有大的整体蚀刻基底部分。由于其与IR发射器和检测器的接近，因此不可能在介电膜上具有这些。结果发射器必须是光电二极管-其具有低发射和稳定性问题，或者可以是加热器，但其具有高功耗。类似地，IR检测器不能在膜上，因此具有低得多的灵敏度。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供了一种用于检测流体的化学传感装置，该传感装置包括：包含至少一个蚀刻部分的至少一个基底区域；形成在所述至少一个基底区域上的介电区域，其中，所述介电区域含有与所述至少一个蚀刻部分相邻的至少一个介电膜区域；用于发射红外(IR)信号的光源；用于检测从所述光源发出的IR信号的光学检测器；形成在所述介电区域之上或之下的一个或多个另外的基底，其中所述一个或多个另外的基底限定用于IR信号从光源传播到光学检测器的光路；以及其中，所述光源和所述光学检测器中的至少一个至少部分地形成在所述介电膜区域之中或之上。所述介电膜区域紧邻基底区域的蚀刻部分。换句话说，所述介电膜区域是所述介电区域中紧邻基底的蚀刻部分之上或相邻的区域。所述介电膜区域是所述介电区域的子集，所述子集是所述基底区域的蚀刻部分的正上方或相邻部分。光源(或IR发射器)和/或光学检测器(或IR检测器)至少部分或完全位于所述介电膜区域内。所述至少一个基底区域可以含有第一蚀刻部分和第二蚀刻部分，并且所述介电区域可以包含与所述第一蚀刻部分相邻的第一介电膜区域和与所述第二蚀刻部分相邻的第二介电膜区域，以及所述光源可位于所述第一介电膜区域内，并且所述光学检测器位于所述第二介电膜区域内。所述光源和光学检测器彼此横向间隔开。在该实施方式中，所述基底区域包括两个蚀刻部分和两个介电膜。所述光源和检测器设置在分开的介电膜区域中。在替代的实施方式中，基底区域可以仅具有一个蚀刻部分和一个介电膜区域。在这种情况下，所述光源和检测器可以都位于相同的介电膜区域中。或者，所述光源或检测器中只有一个可以在介电膜上，而另一个不在介电膜上，而是在基底或介电区域上。应当理解，所述另外的基底能够位于所述介电区域的上方或下方。例如，所述另外的基底能够位于其上形成有介电膜区域的主半导体基底区域下方。在这样的实施方式中，在主半导体基底区域和所述另外的基底之间提供另外的电介质区域，并且所述另外的电介质区域在主半导体基底区域的下方或下面。所述至少一个基底区域可以包含第一基底和第二基底。所述第一基底可以包含第一蚀刻部分，并且所述第一介电膜区域可以与所述第一蚀刻部分相邻地形成。所述第二基底可以包含第二蚀刻部分，并且所述第二介电膜区域可以与第二蚀刻部分相邻地形成。所述光源可以位于所述第一介电膜区域内，并且所述光学检测器可以位于所述第二介电膜区域内。所述光源和所述光学检测器可以彼此垂直间隔开，并且所述一个或多个另外的基底可以在第一和第二介电膜区域之间垂直间隔开。在该实施方式中，基底区域可以包括两个单独的基底，它们是所述第一基底和所述第二基底。所述第一基底和第二基底中的每一个可以含有单独的蚀刻部分，并且因此相应的介电区域可以包括单独的介电膜区域。这些垂直间隔的基底可以彼此垂直间隔开。根据本专利技术的另一方面，提供了一种制造用于检测流体的化学传感装置的方法，该方法包括：形成至少一个基底区域；在所述至少一个基底区域上沉积介电区域，其中所述介电区域包含与所述至少一个蚀刻部分相邻的至少一个介电膜区域；形成用于发射红外(IR)信号的光源；形成用于检测从所述光源发出的IR信号的光学检测器；蚀刻所述至少一个基底区域以在所述基底区域中形成蚀刻部分和在所述介电区域中形成至少一个介电膜区域，所述至少一个介电膜区域与所述蚀刻部本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于检测流体的化学传感装置，所述传感装置包括：包含至少一个蚀刻部分的至少一个半导体基底区域；形成在所述至少一个基底区域上的介电区域，其中，所述介电区域包含与所述至少一个蚀刻部分相邻的至少一个介电膜区域；用于发射红外(IR)信号的光源；用于检测从所述光源发出的IR信号的光学检测器；形成在所述介电区域之上或之下的一个或多个另外的基底，其中，所述一个或多个另外的基底限定用于IR信号从光源传播到光学检测器的光路；以及其中，所述光源和所述光学检测器中的至少一个至少部分地形成在所述介电膜区域之中或之上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.31 US 15/168,5621.一种用于检测流体的化学传感装置，所述传感装置包括：包含至少一个蚀刻部分的至少一个半导体基底区域；形成在所述至少一个基底区域上的介电区域，其中，所述介电区域包含与所述至少一个蚀刻部分相邻的至少一个介电膜区域；用于发射红外(IR)信号的光源；用于检测从所述光源发出的IR信号的光学检测器；形成在所述介电区域之上或之下的一个或多个另外的基底，其中，所述一个或多个另外的基底限定用于IR信号从光源传播到光学检测器的光路；以及其中，所述光源和所述光学检测器中的至少一个至少部分地形成在所述介电膜区域之中或之上。2.根据权利要求1所述的传感装置，其中，所述至少一个基底区域包含第一蚀刻部分和第二蚀刻部分，以及其中，所述介电区域包含与所述第一蚀刻部分相邻的第一介电膜区域和与所述第二蚀刻部分相邻的第二介电膜区域，以及其中，所述光源位于所述第一介电膜区域内，且所述光学检测器位于所述第二介电膜区域内。3.根据权利要求2所述的传感装置，其中，所述光源和光学检测器彼此横向间隔开。4.根据权利要求1所述的传感装置，其中，所述至少一个基底区域包含第一基底和第二基底，其中，所述第一基底包含第一蚀刻部分和与所述第一蚀刻部分相邻形成的第一介电膜区域，以及其中，所述第二基底包含第二蚀刻部分和与所述第二蚀刻部分相邻形成的第二介电膜区域，并且其中，所述光源位于所述第一介电膜区域内，以及所述光学检测器位于所述第二介电膜区域内。5.根据权利要求4所述的传感装置，其中，所述光源和所述光学检测器彼此垂直间隔开，并且其中，所述一个或多个另外的基底在所述第一和第二介电膜区域之间垂直间隔开。6.根据权利要求1所述的传感装置，其中，所述一个或多个另外的基底各自包含蚀刻部分。7.根据权利要求6所述的传感装置，其中，该传感装置还包括流体腔室，所述流体腔室由所述一个或多个另外的基底的所述至少一个蚀刻部分形成。8.根据权利要求7所述的传感装置，其中，所述流体腔室包含至少部分地沿着所述流体腔室的周边的反射层，并且其中，所述反射层包括含有金、铝、铜、银和/或铂的材料。9.根据权利要求7或8所述的传感装置，其中，所述流体腔室包含用于使目标流体进入或离开所述流体腔室的流体中空通道。10.根据权利要求7-9中任一项所述的传感装置，其中，所述流体腔室具有螺旋形，曲折形或任何其他几何形状，以使得IR信号能够从所述光源传播到所述光学检测器。11.根据权利要求7-10中任一项所述的传感装置，其中，该传感装置还包括在所述介电层和所述流体腔室之间的微流体通道，用于使目标液体流过所述微流体通道。12.根据权利要求1所述的传感装置，其中，所述一个或多个另外的基底与所述介电区域间隔开，以形成用于目标流体进入或离开所述传感装置的开口。13.根据权利要求12所述的传感装置，其中，该传感装置还包括在所述介电区域和所述一个或多个另外的基底之间的所述开口中的球形键合。14.根据前述权利要求中任一项所述的传感装置，其中，所述传感装置被配置为使用衰减全反射技术来感测流体，以使得所述一个或多个另外的基底的一层的一侧接收和传输所述IR信号，并传播所述IR信号借助全内反射通过所述一层，或作为经受在所述一层的相对侧上的流体影响的倏逝波。15.根据前述权利要求中任一项所述的传感装置，其中，该传感装置还包括在所述一个或多个另外的基底和所述介电区域之间的滤光器。16.根据前述权利要求中任一项所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·H·霍普尔，A·德卢卡，K·莱蒂斯，S·Z·艾利，M·F·乔杜里，
申请(专利权)人：AMS传感器英国有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB