[发明专利]化学传感器

说明书

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。

技术领域

本发明涉及一种基于红外检测原理的微型化学传感器。

背景技术

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(the gas specific absorptioncoefficient)，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US RE36277、US 8471208、US 20080035848、US7449694、US 6469303、US 6753967和US 7609375。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。