[发明专利]一种多通道集成红外气体传感器

说明书

本发明属于气体传感器技术领域，具体为一种多通道集成红外气体传感器。本发明通过硅基上制备多通道气室，与集成电路结合得到的全集成红外气体传感器，并通过气孔的设置方式使得气体只能通过气槽上方的气孔进入气槽，然后扩散进入光槽中，减少光在光槽传输途中光线从气孔逃逸的数量，以提高测试精度。具有体积小、测量精度高、易批量制备的优点，有效拓展红外气体测量技术的应用范围，适用于更多的小型或便携式电子设备，如手机、智能手表、多功能手环等。

技术领域

本发明属于气体传感器技术领域，涉及红外气体传感器，具体为一种多通道集成红外气体传感器。

背景技术

红外气体传感器有着广泛的用途，例如爆炸性气体动态检测，大气温室气体动态检测，家居有害气体检测等等。红外气体传感器的工作原理是以朗博-比尔定理和红外吸收光谱为基础的。朗博-比尔定理可以概括为：光被透明介质吸收的比例与入射光强度无关，只与透明介质的浓度和光程长度有关；其公式可简写为A＝K*L*C，A为气体的出射光与入射光的吸收比，L为光程长度，C为被测气体浓度，K为被测气体的吸光系数。红外吸收光谱的基本原理可以概括为，组成物质的化学键或官能团具有固定的振动频率，当特定波长红外光照射此种物质时，将会发生振动吸收，不同的物质吸收不同频率的红外光，以此可以获得物质中含有何种化学键或官能团的信息，从而判断物质的种类。通过朗博比尔定理以及红外吸收光谱的基本原理，我们可以制作出探测气体浓度或气体种类的红外气体传感器。

红外气体传感器根据光源工作方式的不同可分为分光式与非分光式两种，相对而言，非分光式红外(NDIR)气体传感器的光源结构相对简单而赢得更多的应用。NDIR气体传感器的基本部件主要有红外光源、气室、滤光片、红外敏感元四个部分，信号处理以及供电等电路则通常放置在传感器外部。当传感器正常工作时，红外光源在调制信号的驱动下发出固定频率的脉冲红外光，同时，被测气体通过设置在气室上的通气孔进入气室；脉冲红外光通过一个入口进入气室中且穿过被测气体，特定波段的红外光将被待测气体吸收从而产生衰减；衰减后的红外光通过气室出口到达红外敏感元，被敏感元吸收探测后产生响应信号；通过对不同气体浓度作用下传感器响应信号进行标定处理，即可得出被测气体的浓度或者类别等信息。

为了提高红外气体传感器的精确度与抗干扰性，NDIR气体传感器通常采用测试通道和参考通道的比值进行气体浓度测量。通过选择测试通道和参比通道的滤光片波长，使参比通道的信号强度几乎不随气体浓度的变化而变化，而测试通道的信号强度随气体浓度增加而减小，通过两个通道信号强度的比值大小来计算出测试通道中被测气体的浓度。

从NDIR气体传感器的原理不难看出，气室的光传输效率和气体交换效率对其测试的精确度和响应时间有着显著的作用，传统的气室结构通常采用在光通道上开设气孔进行气体交换的设计，这些设置在光通道上的气孔导致了光传输的衰减；而为了保证气体测量精度通常需要气室有较长的光程长，不仅使得传感器的体积难以缩小，不易于集成化与微型化，也加剧了非气体吸收导致的红外光衰减，进而导致测量精度的下降和响应时间的延长。

综上所述，传统的NDIR气体传感器及其气室的结构特征与设计思想，难以满足便携式设备和移动终端对红外气体传感器小型化、集成化、智能化的发展需求。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为解决现有NDIR气体传感器结构复杂，不易于集成化与微型化的问题，本发明提供了一种多通道集成红外气体传感器，以硅片为基底的多通道微型气室结构，以及与其配套的集成电路层设计。它具有体积小、测量精度高、集成度高，可批量化制备等优点。

本发明的技术方案为：

一种多通道集成红外气体传感器，由上、下两层气室硅片与集成电路层构成。

所述上层气室硅片开设气孔，气孔为贯穿硅片的通孔；

所述下层气室硅片开设数目为n+1个光槽，用作参考通道与测量通道红外光的传导路径；其中n≥1，n为该传感器所测气体种类数目。