一种微型化全集成NDIR气体传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种微型化全集成NDIR气体传感器及其制备方法，属于红外气体传感器技术领域。该传感器包括光电探测器、MEMS红外光源、上层硅片、下层衬底和信号处理ASIC芯片；所述上层硅片和下层衬底键合形成气室，气室内蒸镀有反射层，硅片键合面上分布有气体扩散槽；所述光电探测器、MEMS红外光源和信号处理ASIC芯片设于所述气室上部，在所述上层硅片上开设有分别对准所述光电探测器和MEMS红外光源的光电探测器窗口和红外光源窗口，MEMS红外光源发出的光从红外光源窗口入射至所述反射层，发生多次反射后进入光电探测器。本发明专利技术利用MEMS工艺实现了NDIR气体传感器的进一步微型化、全集成，并提高了灵敏度。

A miniaturized and fully integrated NDIR gas sensor and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种微型化全集成NDIR气体传感器及其制备方法
本专利技术属于红外气体传感器
，更具体地，涉及一种微型化全集成NDIR气体传感器及其制备方法。
技术介绍
气体传感器是实时、原位获取气体信息的最有效途径之一，在环境保护、安防报警、流程工业等领域发挥着不可替代的重要作用。基于非色散红外(Non-DispersiveInfra-Red，NDIR)吸收原理的NDIR红外气体传感器是基于不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性，利用气体浓度与吸收强度关系(朗伯-比尔定律)鉴别气体组分并确定其浓度的气体传感装置。经过数十年的技术发展与突破，NDIR红外气体传感器的灵敏度、响应时间以及抗干扰能力得到了极大的提升。当前NDIR红外气体传感器通常由光源、气室、探测器等分立元件构成；同时，根据NDIR测量原理，传感器的灵敏度、检测限和量程范围等指标均依赖于气室的尺寸。因此，集成度低、测量精度差等成为制约红外气体传感器应用的主要问题。近年来，采用MEMS工艺制备硅基集成的NDIR气体传感器是目前解决NDIR气体传感器体积大、集成度低问题的有效途径，如中国专利CN107328730A、CN108318439A等，极大地提高了红外气体传感器的集成度。然而，上述NDIR气体传感器的宽谱红外光源、气室、滤光片、红外探测器和信号处理电路等核心元器件仍处于分立设计的状态，不同元器件在材料、结构和集成工艺上缺乏兼容性。一方面，这是导致NDIR气体传感器的集成度不足、缺乏核心部件的集成设计理论与传感器系统集成技术的主要因素，制约了高性能NDIR气体传感器的微型化；另一方面，上述传感器设计的气室有效长度较短，因此灵敏度不高。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种微型化全集成NDIR气体传感器及其制备方法，旨在解决现有NDIR气体传感器集成度不足、灵敏度较低的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种微型化全集成NDIR气体传感器，包括光电探测器、MEMS红外光源、上层硅片、下层衬底和信号处理ASIC芯片；所述上层硅片和下层衬底键合形成气室，气室内蒸镀有反射层，硅片键合面上分布有气体扩散槽；所述光电探测器、MEMS红外光源和信号处理ASIC芯片设于所述气室上部，在所述上层硅片上开设有分别对准所述光电探测器和MEMS红外光源的光电探测器窗口和红外光源窗口，MEMS红外光源发出的光从红外光源窗口入射至所述反射层，发生多次反射后进入光电探测器；所述MEMS红外光源、光电探测器与所述信号处理ASIC芯片采用引线键合的方式进行电连接。进一步地，所述光电探测器包括金背板、光敏材料、纳米天线、氮化硅隔热板和硅衬底，其中纳米天线是集成于光敏材料之上的窄带滤波光学天线。进一步地，所述光电探测器为光子型光电探测器与窄带滤波光学天线集成结构。进一步地，所述光电探测器为光热型光电探测器与窄带滤波光学天线集成结构。本专利技术还提供了一种微型化全集成NDIR气体传感器的制备方法，包括以下步骤：(1)在硅衬底上，利用硅各向异性湿法腐蚀技术，在硅基底上湿法腐蚀出倒金字塔型或三棱锥型深沟槽结构，利用沟槽两端的斜面作为反射面；(2)采用深硅干法刻蚀技术在背腔片上刻蚀出导气沟道；(3)采用电子束蒸镀技术，在整个气室内壁镀上金反射层；(4)通过金属膜蒸镀、PMMA电子束胶涂覆、曝光与显影、干法刻蚀三步工艺制备纳米孔阵列，再在室温下利用磁控溅射或旋涂法长一层光敏材料，然后通过金属生长制备金属背板，得到窄带滤波光学天线集成的光电探测器；(5)采用Au-Si共晶键合技术将载有光学天线的光电探测器、MEMS气室、MEMS红外光源、信号处理ASIC芯片进行集成封装。进一步地，步骤(1)中所述硅各向异性湿法腐蚀采用KOH腐蚀液腐蚀硅，硅存在各向异性腐蚀现象，快腐蚀面为(311)面、慢腐蚀面为(100)面；在KOH腐蚀液作用下，在掩膜原有台阶边棱处出现一个快腐蚀面(311)面，随着腐蚀的推进，新出现的(311)面会逐渐取代原有的(111)面，当(311)面完全取代(111)面后，将继续向下推进，最终在腐蚀槽边缘形成54.7°倾角的斜面。进一步地，步骤(2)采用深反应离子刻蚀进行干法刻蚀，包括以下步骤：首先，通入刻蚀气体SF6进行刻蚀，其离子化的产物与裸露在外的硅衬底接触并发生化学反应实现刻蚀；其次，通入钝化气体C4F8，该气体能在等离子体环境中生产氟化碳类高分子聚合物钝化物薄膜，并覆盖在深槽的侧壁和底部，阻止刻蚀阶段的氟离子与硅基底的接触反应，形成保护膜；在下一周期中，刻蚀阶段中刻蚀气体产生的等离子体对沟道深度方向的钝化膜进行垂直轰击，使底部钝化层被去除，而侧壁钝化层得以保留形成侧壁保护。进一步地，步骤(4)包括通过改变金属的直径以及占空比得到针对不同红外波段的光学纳米天线器件，实现光学纳米天线可调。优选地，所述步骤(4)还包括以下步骤：S1、制备PbS胶体量子点溶液；S2、通过金属膜蒸镀、PMMA电子束胶涂覆、曝光与显影、干法刻蚀三步工艺制备纳米光学天线阵列；S3、通过室温下旋涂、喷涂或电喷印在光学天线上长一层胶体量子点；S4、通过金属生长制备金属背板，得到窄带滤波光学天线集成的光电探测器。另一种优选方式中，所述步骤(4)还包括以下步骤：采用微纳加工工艺在硅/氮化硅衬底上先用电子束蒸发长一层金，再采用光刻工艺制备纳米天线阵列；在制备好的光学天线阵列上利用磁控溅射长一层钽酸锂薄膜，制备出集成光学天线热释电探测器。本专利技术的技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：(1)本专利技术以晶圆级封装MEMS气室制造技术将载有光学天线的光电探测器、MEMS气室、MEMS红外光源、信号处理ASIC芯片进行晶圆级堆叠三维阵列集成封装，通过利用MEMS工艺实现了NDIR气体传感器的进一步微型化、全集成。(2)采用MEMS工艺设计的新型硅基微型气室，能够使红外光在表面蒸镀有金的腔室内部进行多次反射，从而增大了气体吸收光程并提高红外光从光源窗口到探测器窗口的传输效率，提高了红外气体传感器的灵敏度。(3)利用纳米天线取代传统滤波片，提高光电探测器的灵敏度并有利于集成化。基于纳米天线的滤波以及近场增强作用，构建纳米天线与光敏材料一体化设计，有利于取代传统滤波片以提高集成度的同时增强光敏材料的红外吸收效率并提高灵敏度。附图说明图1是微型化全集成NDIR气体传感器的侧视图。图2是微型化全集成NDIR气体传感器结构分解示意图。图3是光热型光电探测器与窄带滤波光学天线集成结构的测试结果。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1-2所示，本专利技术实施例提供了一种微型化全集成NDIR气体传感器，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微型化全集成NDIR气体传感器，其特征在于，包括光电探测器、MEMS红外光源、上层硅片、下层衬底和信号处理ASIC芯片；所述上层硅片和下层衬底键合形成气室，气室内蒸镀有反射层，硅片键合面上分布有气体扩散槽；/n所述光电探测器、MEMS红外光源和信号处理ASIC芯片设于所述气室上部，在所述上层硅片上开设有分别对准所述光电探测器和MEMS红外光源的光电探测器窗口和红外光源窗口，MEMS红外光源发出的光从红外光源窗口入射至所述反射层，发生多次反射后进入光电探测器；/n所述MEMS红外光源、光电探测器与所述信号处理ASIC芯片采用引线键合的方式进行电连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种微型化全集成NDIR气体传感器，其特征在于，包括光电探测器、MEMS红外光源、上层硅片、下层衬底和信号处理ASIC芯片；所述上层硅片和下层衬底键合形成气室，气室内蒸镀有反射层，硅片键合面上分布有气体扩散槽；
所述光电探测器、MEMS红外光源和信号处理ASIC芯片设于所述气室上部，在所述上层硅片上开设有分别对准所述光电探测器和MEMS红外光源的光电探测器窗口和红外光源窗口，MEMS红外光源发出的光从红外光源窗口入射至所述反射层，发生多次反射后进入光电探测器；
所述MEMS红外光源、光电探测器与所述信号处理ASIC芯片采用引线键合的方式进行电连接。


2.如权利要求1所述的微型化全集成NDIR气体传感器，其特征在于，所述光电探测器包括金背板、光敏材料、纳米天线、氮化硅隔热板和硅衬底，其中纳米天线是集成于光敏材料之上的窄带滤波光学天线。


3.如权利要求2所述的微型化全集成NDIR气体传感器，其特征在于，所述光电探测器为光子型光电探测器与窄带滤波光学天线集成结构。


4.如权利要求2所述的微型化全集成NDIR气体传感器，其特征在于，所述光电探测器为光热型光电探测器与窄带滤波光学天线集成结构。


5.一种微型化全集成NDIR气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在硅衬底上，利用硅各向异性湿法腐蚀技术，在硅基底上湿法腐蚀出倒金字塔型或三棱锥型深沟槽结构，利用沟槽两端的斜面作为反射面；
(2)采用深硅干法刻蚀技术在背腔片上刻蚀出导气沟道；
(3)采用电子束蒸镀技术，在整个气室内壁镀上金反射层；
(4)通过金属膜蒸镀、PMMA电子束胶涂覆、曝光与显影、干法刻蚀三步工艺制备纳米孔阵列，再在室温下利用磁控溅射或旋涂法长一层光敏材料，然后通过金属生长制备金属背板，得到窄带滤波光学天线集成的光电探测器；
(5)采用Au-Si共晶键合技术将载有光学天线的光电探测器、MEMS气室、MEMS红外光源、信号处理ASIC芯片进行集成封装。


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【专利技术属性】
技术研发人员：刘欢，邢朝洋，朱政强，崔尉，李华曜，严棋，胡志响，谈小超，翟博慧，田枝来，
申请(专利权)人：华中科技大学，北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42