ＭＥＭＳ光谱气敏传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种ＭＥＭＳ光谱气敏传感器，利用光谱分析的手段实现目标气体的定性及定量分析。该传感器由目标气体放电发出的红外光在待测气体中的吸收量得到目标气体的浓度。该吸收量是由通过参比室的红外光光强与通过测量室的红外光光强之差确定。该传感器主要由射频发光管、目标气体特征吸收参比室（主参比室）、目标气体特征吸收测量室（主测量室）、非特征吸收测量室（副测量室）和非特征吸收参比室（副参比室）组成。主参比室和主测量室用于目标气体的浓度检验，副参比室和副测量室用于确定主测量室内的红外吸收是否是由干扰气体引起。利用本发明专利技术，解决了现有传感器选择性低、抗干扰能力差、寿命短的缺点，并且成本低廉，便于广泛使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于气体检测及定量分析的气敏传感器，尤其涉 及—种微电子机械系统(Micro-electro-mechanical systems, MEMS)光谱气敏传感器。该光谱气敏传感器基于光谱分析原理，利用特征波长 的红外光穿过待测气体时光强的衰减与目标气体浓度相关的特性，达 到分析目标气体的目的，解决现有传感器选择性低、抗干扰能力差、 寿命短的缺点，并且成本低廉，便于广泛使用。
技术介绍
随着科学技术的发展，人们对于高质量的气体检测分析仪器的要 求越来越高。目前市场上主流的气敏传感器大多由陶瓷工艺制造，利 用敏感材料与目标气体发生氧化还原反应时电子浓度的变化达到气体 检测的目的。但是这类传感器的选择性不好，容易受温度、湿度等环 境因素的影响，而且寿命短、体积大、功耗高、产品性能分散且难以 与仪器匹配。近十几年发展起来的MEMS气敏传感器继承了集成电路优势，具 有体积小、功耗低、性能一致性好、集成化、智能化的特点，利用敏 感材料与目标气体发生相互作用时电阻、电容、伏案特性等电参量的 变化或者振动频率等机械参量的变化达到气体检测的目的，而且灵敏 度比较高。但是已有的这类MEMS传感器抗干扰能力更低，而且存在 敏感膜的寿命和选择性之间的矛盾。光谱分析法是气体成分、矿物成分、水成分及污染分析的权威手 段。利用目标气体对于特定频率处辐射的吸收来达到气体检出的目的， 并且通过对吸收强度的测量可实现定量分析。光谱分析式气敏传感器 在抗水气干扰和选择性方面的长处是其他类型的传感器无法比拟的， 但目前有限的几种吸收式气体分析仪器由于发射器波长范围较宽，要求较长的吸收路径所以传感器体积较大，设备成本较高，不便于广泛 使用。
技术实现思路
(一) 要解决的技术问题 为了解决现有传感器选择性差、灵敏度低、抗干扰能力弱、误报率高、寿命短等问题，本专利技术提供一种新型MEMS光谱气敏传感器， 克服现有传感器的缺陷，满足人们对于高精度气体分析的要求。(二) 技术方案为达到上述目的，本专利技术提供了一种MEMS光谱气敏传感器，利 用光谱分析原理实现目标气体的定性及定量分析，该传感器由制作在 (110)硅片上的射频发光管1、目标气体特征吸收参比室2、目标气 体特征吸收测量室3、非特征吸收测量室4和非特征吸收参比室5构成；所述射频发光管1为在(110)硅片上用ICP刻蚀设备刻蚀形成的 密封有目标气体的六边形封闭腔室，封有一个大气压的目标气体，该 封闭腔室一左右对称的非(lll)面侧壁上且朝向腔室内部设置有用于激 励目标气体电离放电的一电极对101;该射频发光管1通过封闭腔室另外两对左右对称的(lll)面侧壁分 别与目标气体特征吸收参比室2、目标气体特征吸收测量室3、非特征 吸收测量室4和非特征吸收参比室5相连接，其中，目标气体特征吸 收参比室2和目标气体特征吸收测量室3通过相邻的两(lll)面侧壁与 射频发光管1相连接，非特征吸收测量室4和非特征吸收参比室5通 过另外一对相邻的两(lll)面侧壁与射频发光管1相连接，目标气体特 征吸收参比室2和非特征吸收测量室4与目标气体特征吸收测量室3 和非特征吸收参比室5左右对称。上述方案中，所述射频发光管1的六边形封闭腔室深度为IO微米， 其中一对左右对称的非(lll)面侧壁上布置有所述电极对101，另外4 个(lll)面侧壁构成与目标气体特征吸收参比室2、目标气体特征吸收 测量室3、非特征吸收测量室4和非特征吸收参比室5连接的滤波及分光器103。上述方案中，所述电极对101位于封闭腔室的5微米深处，左右 对称布置于六边形封闭腔室对称的一对非(lll)面侧壁上，对称中心有 一宽度为1微米的电极间隙102，且电极101为白金放电电极。上述方案中，所述滤波及分光器103是在(110)硅片上由ICP设 备刻蚀并经TMAH化学抛光得到的IO微米深的(lll)面单晶硅竖壁， 所述射频发光管1发出的红外光被滤波及分光器103分为对称的光束 分别送往目标气体特征吸收参比室2、目标气体特征吸收测量室3、非 特征吸收测量室4和非特征吸收参比室5。上述方案中，所述目标气体特征吸收参比室2是封闭的，所述目 标气体特征吸收测量室3是开放的，二者依据目标气体特征波长设计， 几何位置对称，内部结构一致，均包括成像光栅和光强测量单元，用 于目标气体的检测和定量分析。上述方案中，所述目标气体特征吸收参比室2是封有一个大气压 的不含目标气体的标准气体封闭气室，在其内部与光源相距1000倍特 征波长位置处有由单晶硅立柱构成的主参比室成像光栅201;该主参比 室成像光栅201在气室竖壁上成像的主极大点位置处有主参比室光强 测量单元202，该单元与光栅的距离为IOOO倍特征波长。上述方案中，所述目标气体特征吸收测量室3是上表面留有主测 量室进气孔303和主测量室出气孔304的开放气室，其内部结构及几 何参数与所述目标气体特征吸收参比室2完全一致，包括主测量室成 像光栅301和主测量室光强测量单元302，是与所述目标气体特征吸收 参比室2对称的单元。上述方案中，所述非特征吸收测量室4是开放的，所述非特征吸 收参比室5是封闭的，二者依据偏离目标气体特征波长的红外光设计， 几何位置对称，内部结构一致，均包括成像光栅和光强测量单元，用 于判断主测量室内的红外吸收是否是由干扰气体引起。上述方案中，所述非特征吸收参比室5是封有一个大气压的不含 目标气体的标准气体封闭气室，在其内部与光源相距iooo倍抗扰校验 波长处有由单晶硅立柱构成的副参比室成像光栅501;该副参比室成像光栅501在气室竖壁上成像的主极大点位置处有副参比室光强测量单 元502，该单元与光栅的距离为1000倍校验波长。上述方案中，所述非特征吸收测量室4是上表面留有副测量室进 气孔403和副测量室出气孔404的开放气室，其内部结构及几何参数 与所述非特征吸收参比室5完全一致，包括副测量室成像光栅401和 副测量室光强测量单元402，是与所述非特征吸收参比室5对称的单 元。(三)有益效果 从以上技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果1、 本专利技术提供的MEMS光谱气敏传感器，利用光谱分析的手段 来实现气体检测，克服了利用化学反应来检测气体时， 一切影响敏感 材料上化学反应发生的因素对传感器性能的影响，极大提高了传感器 的性能。由于并未使用敏感材料，也解决了由于敏感材料上的不可逆 化学反应引起的传感器中毒以及寿命有限的问题。2、 本专利技术提供的MEMS光谱气敏传感器，用射频源激发目标气 体放电，发出的具有特征波长的红外光光强相对较大，利用该红外光 进行目标气体检测和分析，大大提高了传感器的选择性和抗干扰能力， 并且节约能耗。3、 本专利技术提供的MEMS光谱气敏传感器，由于具有目标气体特 征波长的红外光的产生、传播、吸收和测量不受温度、湿度等环境因 素的影响，解决了现有传感器易受温度及水汽影响的问题。4、 本专利技术提供的MEMS光谱气敏传感器，采用光栅作分光元件， 具有多条吸收路径，信号较强， 一方面可以使传感器具有较高的灵敏 度，另一方面可以縮小参比室和测量室的长度，有利于减小传感器的 体积。5、 本专利技术提供的MEMS光谱气敏传感器，利用通过测量室和参 比室后的两束红外光的光强之差来本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微电子机械系统ＭＥＭＳ光谱气敏传感器，利用光谱分析原理实现目标气体的定性及定量分析，其特征在于，该传感器由制作在（１１０）硅片上的射频发光管（１）、目标气体特征吸收参比室（２）、目标气体特征吸收测量室（３）、非特征吸收测量室（４）和非特征吸收参比室（５）构成；　所述射频发光管（１）为在（１１０）硅片上刻蚀形成的密封有目标气体的六边形封闭腔室，该封闭腔室一左右对称的非（１１１）面侧壁上且朝向腔室内部设置有用于激励目标气体电离放电的一电极对（１０１）；　该射频发光管（１）通过封闭腔室另外两对左右对称的（１１１）面侧壁分别与目标气体特征吸收参比室（２）、目标气体特征吸收测量室（３）、非特征吸收测量室（４）和非特征吸收参比室（５）相连接，其中，目标气体特征吸收参比室（２）和目标气体特征吸收测量室（３）通过相邻的两（１１１）面侧壁与射频发光管（１）相连接，非特征吸收测量室（４）和非特征吸收参比室（５）通过另外一对相邻的两（１１１）面侧壁与射频发光管（１）相连接，目标气体特征吸收参比室（２）和非特征吸收测量室（４）与目标气体特征吸收测量室（３）和非特征吸收参比室（５）左右对称。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高超群，刘茂哲，惠瑜，景玉鹏，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]