气体传感器MEMS结构及其制造方法技术

一种气体传感器，一种制造气体传感器的方法，一种制造用于加热器或热电堆的微机电系统(MEMS)管芯的方法，以及一种用于加热器或热电堆的微机电系统(MEMS)管芯。所述气体传感器包括：第一微机电系统(MEMS)管芯，其包括光源；第二MEMS管芯，其包括光检测器；样品室，其设置在所述光源和所述光检测器之间的光路中；以及保持器衬底。其中，所述第一MEMS管芯和所述第二MEMS管芯在相对于所述保持器衬底的垂直方向上被设置在所述保持器衬底上。

MEMS structure and manufacturing method of gas sensor

A gas sensor, a method for manufacturing a gas sensor, a method for manufacturing a micro electro mechanical system (MEMS) tube core for a heater or a thermopile, and a micro electro mechanical system (MEMS) tube core for a heater or a thermopile. The gas sensor comprises a first MEMS tube core including a light source, a second MEMS tube core including a photodetector, a sample chamber arranged in an optical path between the light source and the photodetector, and a holder substrate. Wherein, the first MEMS core and the second MEMS core are arranged on the retainer substrate in a vertical direction relative to the retainer substrate.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】气体传感器MEMS结构及其制造方法专利
一个方面，本专利技术广泛涉及气体传感器领域，并且具体地涉及基于光发射和光检测的气体传感器，例如非分散红外(NDIR)气体传感器，以通过感测穿过气体的红外辐射的吸收来确定存在于腔室中的特定气体的浓度。另一方面，本专利技术广泛地涉及红外光源和检测器，例如微加热器源和热电堆检测器，的领域，特别是旨在增强器件的性能，以及提高器件的制造产量。技术背景在整个说明书中对现有技术的任何提及和/或讨论不应以任何方式被认为是承认该现有技术是公知的或形成本领域公知常识的一部分。基于光发射和光检测的气体传感器，例如非分散红外(NDIR)气体传感器一直被认为是用于气体测量的最佳方法之一。NDIR气体传感器利用了这样的事实：各种气体在红外辐射光谱中的特定波长处显示出大的吸收。术语“非分散”表示采用NDIR技术的器件类型，通常使用窄带通滤光片来选择来自宽波段红外光源的特定波段的辐射。与其他气体检测方法相比，如电化学燃料电池、氧化锡(SnO2)传感器、金属氧化物半导体(MOS)传感器、催化传感器、光电离检测器(PID)、火焰离子化检测器(FID)和热传导传感器均称为交互式气体检测器。NDIR气体传感器具有高度特异性、灵敏度、响应速度快、相对稳定、可靠且易于维护。过去，NDIR气体传感器通常包括：红外辐射源，其具有用于调节源的马达驱动的机械斩波器，用于推动气体穿过样品室的泵、窄带通滤光片、灵敏红外检测器、以及红外光学器件和窗口将来自源的红外能量聚焦到检测器上。即使NDIR气体测量技术是已经开发的最佳实践之一，由于其与其他气体检测方法相比的复杂性和高成本，其还没有得到广泛应用。自从20世纪50年代中期首次引入NDIR气体测量技术以来，已经提出并成功地证明了基于NDIR气体检测原理的大量改进的测量技术。1974年Burch等人(序号为3,793,525的美国专利号)和Blau等人(序号为3,811,776的美国专利号)提出了用于NDIR气体测量的双光束技术，其通过利用针对一些强吸收气体如二氧化碳(CO2)的非线性吸收原理以产生参考通道。不久之后，这种双光束NDIR气体传感器技术通过使用两个插入的滤光片(一个吸收和一个中性)来大大简化，以构建样品检测器通道和参考检测器通道。随后采用这种技术的NDIR气体传感器具有良好的性能。在序号为4,578,762(1986)的美国专利号中，Wong提出了一种使用新型两轮斩波器和反射器装置的自校准NDIRCO2分析仪。在序号为4,694,173(1987)的美国专利，Wong描述了另一种改进类型的这种气体分析仪。该气体传感器没有移动部件，用于实现滤光片的插入，以便像前面描述的NDIR气体传感器那样制作样品和参考检测器通道。为了降低成本并简化NDIR方法的实施，在序号为5,163,332(1992)的美国专利号中，Wong提出了波导扩散样品室的概念，以使NDIR气体传感器更紧凑、粗糙和低成本，同时仍保持其优越的性能特征。波导扩散样品室使用具有内反射表面的细长中空管，该内反射表面允许管充当光管以将辐射穿过样品气体从源传输到检测器。无孔中空管壁中的多个孔使样品气体在环境压力下自由地进出。通过使用延伸孔的半透膜将烟雾和灰尘颗粒保持在室外，而通过将样品室加热到高于气体(或空气)的露点的温度可以防止样品气体(或空气)的冷凝。在今天的NDIR气体传感器的设计中广泛采用了这一概念，特别是在低成本和高容量的气体传感器中。在随后的几年中，Wong继续完善和改进低成本的NDIR气体传感器，这可以通过序号为5,222,389(1993年6月)的美国专利，序号为5,341,214(1994年8月)的美国专利，序号为5,347,474(1994年9月)的美国专利，序号为5,453,621(1995年9月)的美国专利，序号为5,502,308(1996年3月)的美国专利，序号为5,747,808(1998年5月)的美国专利，序号为5,834,777(1998年11月)的美国专利和序号为6,237,575(2001年5月)的美国专利的授权来证明。直到最近，降低NDIR气体传感器成本的努力主要集中在开发低成本红外组件，改进传感器结构和光学设计，以及简化电子信号处理电路。到目前为止，最广泛使用的NDIR气体传感器是双光束器件，其具有用单个红外光源和两个单独的红外检测器实现的信号和参考光束，每个红外检测器具有不同的带通滤光片。信号滤光片包含调谐到气体吸收辐射的窄光谱带通。因此，感兴趣的气体的存在将调制信号光束。此外，参考滤光片包含一个窄的光谱带通，该带通与所讨论的气体无关，也与大气中存在的所有常见气体无关。因此，参考光束充当用于随时间检测气体种类的参考。如今，双光束技术适用于许多应用，特别是用于检测相对低浓度的CO2气体(400-2000ppm)，用于加热、通风和空调(HVAC)系统以及室内空气质量(IAQ)应用。然而，传感器的成本降低受到昂贵的检测器封装的限制，该封装包含两个检测器，每个检测器配备有不同的滤光片。另外，双光束NDIR气体传感器仍然具有许多限制，这些限制需要特殊动作以使传感器可靠且稳定地使用一段时间。这些限制包括：红外光源老化，其可能导致到达检测器的红外辐射的空间分布发生变化的，以及样品室的内部反射表面的不均匀老化，其可能影响检测器组件处施加的辐射的空间分布。最后，两个滤光片的不同老化特性是一个限制，每个滤光片都是通过不同的过程制成的，从而导致两个检测器的潜在的不同老化特性。之前描述的所有NDIR气体传感器都表现良好，并且在过去二十年中对气体分析领域的整体技术进步做出了有效贡献。它们已被医学和工业界广泛接受。然而，无论多年来它们的成功与否，仍然存在一些需要显著改进的特性，以便进一步扩展这些装置的有益的应用。到目前为止，包括NDIR气体传感器在内的当今气体传感器的第一个缺点是传感器输出随时间的稳定性，即随着时间的推移漂移，例如由于在生命周期中加热多次以提供红外能量所导致的红外线源的老化。这将导致其光谱输出强度的变化。这意味着每个气体传感器都需要每三个月到一年重新校准一次，以便随着时间的推移保持准确。例如，如果没有输出稳定的CO2控制器，在办公室和商业建筑中实现和实施需求控制通风(DCV)策略以节省能源将是非常不方便的。当今的气体传感器的第二个缺点，无论其工作原理如何，都是作为环境温度的函数的输出依赖性，即传感器所处的温度漂移。通常通过指定相对于标准温度下的输出的每度温度变化的输出校正来解决该问题。然而，这些输出温度校正通常限制了这些传感器在室外的使用。Wong最近已在序列号为8,143,581(2009)的美国专利中采用吸收偏差的NDIR方法解决了上述NDIR气体传感器的性能缺陷。该方法利用了以下事实：假定一双通道器件，该传感器的输出作为信号输出与参考输出的比率，可以随时间始终保持恒定或不变，除非在样品室中存在感兴趣的气体。因此，信号和参考通道都必须用完全相同的频谱窄带通滤光片来构建。为了在存在感兴趣的气体的情况下区分信号输出和参考通道输出，通过使用用于两个通道的不同样本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气体传感器，包括：/n第一微机电系统(MEMS)管芯，其包括光源；/n第二MEMS管芯，其包括光检测器；/n样品室，其设置在所述光源和所述光检测器之间的光路中；以及/n保持器衬底；/n其中，所述第一MEMS管芯和所述第二MEMS管芯在相对于所述保持器衬底的垂直方向上被设置在所述保持器衬底上，并且所述样品室在所述第一MEMS管芯和所述第二MEMS管芯之间横向设置。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20161209 SG 10201610369X;20161209 US 62/432,1801.一种气体传感器，包括：
第一微机电系统(MEMS)管芯，其包括光源；
第二MEMS管芯，其包括光检测器；
样品室，其设置在所述光源和所述光检测器之间的光路中；以及
保持器衬底；
其中，所述第一MEMS管芯和所述第二MEMS管芯在相对于所述保持器衬底的垂直方向上被设置在所述保持器衬底上，并且所述样品室在所述第一MEMS管芯和所述第二MEMS管芯之间横向设置。


2.根据权利要求1所述的气体传感器，其中，所述光检测器包括：
一个或多个转换元件，其用于将温度变化转换成电信号；以及
一个或多个第一超材料元件，其用于热耦合到所述转换元件中的相应转换元件，
所述第一超材料元件被构造成在光源发射的一个或多个波长处选择性吸收；以及
用于将在一个或多个波长处的吸收变化转换成可变电响应的装置。


3.根据权利要求1或2所述的气体传感器，进一步包括：分别用于所述第一管芯和所述第二管芯的真空水平薄膜封装，其用于所述光源和所述光检测器与气体样品的热隔离。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的气体传感器，其中，所述光源包括一个或多个加热器元件以及一个或多个第二超材料元件，所述第二超材料元件热耦合到所述加热器元件中的相应加热器元件，所述第二超材料元件被构造成在一个或多个波长处发射。


5.根据权利要求1至4所述的气体传感器，进一步包括处理电路，所述处理电路至少具有用于驱动所述光源的源驱动器和耦合到所述光检测器的模拟接口。


6.根据权利要求5所述的气体传感器，其中，所述处理电路被集成在所述保持器衬底上。


7.根据权利要求1至6所述的气体传感器，其中，所述样品室包括波导扩散室。


8.根据权利要求7所述的气体传感器，其中，所述波导扩散腔室的相对的开口端用作扩散孔。


9.一种制造气体传感器的方法，包括步骤：
提供包括光源的第一微机电系统(MEMS)管芯；
提供包括光检测器的第二MEMS管芯；
提供设置在所述光源和所述光检测器之间的光路中的样品室；并
提供保持器衬底；
其中，所述第一MEMS管芯和所述第二MEMS管芯在相对于保持器衬底的垂直方向上被设置在所述保持器衬底上，并且所述样品室被横向设置在所述第一MEMS管芯和所述第二MEMS管芯之间。


10.根据权利要求9所述的方法，其中，提供所述光检测器包括：
提供一个或多个转换元件，用于将温度变化转换为电信号，并
将一个或多个第一超材料元件热耦合到所述转换元件中的相应转换元件，
所述第一超材料元件被构造成在由所述光源发射的一个或多个波长处的选择性吸收，以及
用于将在一个或多个波长处的吸收的变化转换成可变电响应的装置。


11.根据权利要求9或10所述的方法，进一步包括：分别为所述第一管芯和第二管芯提供真空级薄膜封装，以用于所述光源和所述光检测器与气体样品的热隔离。


12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中，提供所述光源包括：提供一个或多个加热器元件并将一个或多个第二超材料元件热耦合到所述加热器元件中的相应加热器元件，所述第二超材料元件被构造成在所述一个或多个波长下发射。


13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，进一步包括：提供处理电路，所述处理电路至少具有用于驱动所述光源的源驱动器以及被耦合到所述光检测器的模拟接口。


14.根据权利要求13所述的方法，包括将所述处理电路集成在所述保持器衬底上。


15.根据权利要求9-14中任一项所述的方法，其中，所述样品室包括波导扩散室。


16.根据权利要求15所述的方法，其中，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：恩里克·玛瑞利，马西莫·布鲁诺·克里斯蒂亚诺·阿里奥图，李正国，科斯塔斯·约翰·斯潘诺斯，钱友，
申请(专利权)人：新加坡国立大学，加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：新加坡;SG