[发明专利]一种基于椭圆形气室结构的全集成式红外气体传感器

说明书

本发明涉及一种基于椭圆形气室结构的全集成式红外气体传感器，属于气体传感器领域。包括椭圆形集成气室和集成电路模块；所述椭圆形集成气室和集成电路模块通过键合或粘接方式层叠组装；其中，椭圆形集成气室包含气孔层硅基晶圆和光孔层硅基晶圆；气孔层硅基晶圆和光孔层硅基晶圆通过键合或粘接等方式组合形成气室；红外光由红外光源发出，从集成气室的入光孔进入气室内部，与从气孔进入气室内部的待测气体进行作用，后由出光孔射出且经过滤光片后被红外探测器接收，实现特定气体的不同浓度检测。本发明与S型或蛇形气室结构的红外气体传感器相比，红外光的传输效率更高，探测灵敏度更高。

技术领域

本发明属于气体传感器领域，涉及一种基于椭圆形气室结构的全集成式红外气体传感器。

背景技术

气体传感器在生产现场监测、燃气管网监测、环境监测等领域大量使用，随着物联网等新兴产业的飞速发展、人们对空气环境质量的日益关注，气体传感器的应用需求飞速增长。气体传感器主要包括半导体型、催化燃烧型和电化学型等种类，这些传感器在使用中的最大问题是对气体的选择性差，不同气体之间存在交叉干扰红外气体传感器基于气体分子对于特定波长红外光的选择性吸收原理工作。与半导体型、催化燃烧型和电化学型气体传感器相比，红外气体传感器具有高度选择性，能实现对气体实现“指纹特征式”识别。

红外气体传感器从上世纪三十年代开始发展，气室是红外气体传感器中红外光线传输、红外光线与待测气体相互作用的通道，是红外气体传感器的必要组成部分，气室的设计对于红外气体传感器的灵敏度、响应时间等具有直接的影响。红外气体传感器的气室主要包括直射式和反射式，为保证传感器的小型化及红外辐射能多次穿过被测气体，光学气室的光路通常设计成反射式，这样相对增加了光程的距离，从而提高了传感器的检测精度。但考虑到每次反射光线能量都会有一定衰减，光线选择在气室中反射的反射次数也不能过多。因此如何能够保证长光程的同时能够减少光线能量的衰减，从而增加红外气体传感器的灵敏度和精准度是研究的关键。

当前，针对红外气体传感器的气室研究主要有公开号CN102279167A为代表的一端镜面反射式气室、公开号CN101004380A为代表的椭圆反射结构气室、公开号CN101825566A为代表的环型结构气室等。采用上述气室结构，导致制备的红外气体传感器存在集成度低、体积大等问题。因此，为提高红外气体传感器的集成度，研制全集成红外气体传感器，需开展小体积、集成化的气室结构的研究。公开号CN103245634A提供一种由凹坑上衬底、凹坑下衬底、键合假片组成的集成气室结构，和基于该集成气室结构的单片集成式红外气体传感器，但该传感器中将红外光源和红外探测器均置于气室吸收腔内部，导致气体与红外光作用的有效光程较短，传感器探测灵敏度较低。公开号CN104677851A、CN105181621A等提供的全集成红外气体传感器采用S型或蛇形气室结构，需在狭窄的气路通道开设进气孔，从进气孔中会导致大量红外光线损失，导致红外光线的通过效率较低，影响红外气体传感器的灵敏度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于椭圆形气室结构的全集成式红外气体传感器，其具体的结构包括：椭圆形集成气室和集成电路模块。椭圆形集成气室和集成电路模块通过键合、粘接等方式层叠组装。其中，椭圆形集成气室包含气孔层硅基晶圆和光孔层硅基晶圆，两片硅基晶圆通过键合、粘接等方式组合形成气室。光孔层硅基晶圆内蚀刻有椭圆形的凹槽，且开设有与内部椭圆形凹槽连通的入光孔和出光孔。气孔层硅基晶圆内蚀刻有椭圆形凹槽，且开设有与内部椭圆形凹槽连通的气孔。集成电路模块是通过SoC形式或SiP形式集成了红外光源、滤光片、红外探测器和信号处理电路的硅基片或陶瓷基片，红外光源、红外探测器分别对准光孔层的入光孔和出光孔。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于椭圆形气室结构的全集成式红外气体传感器，包括椭圆形集成气室和集成电路模块；所述椭圆形集成气室和集成电路模块通过键合或粘接方式层叠组装；