專利名稱：Cmos/mems兼容光譜式氣敏傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣敏傳感器，尤其涉及一種CM0S/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器， 該傳感器利用氣體的近紅外透射譜的特征判斷氣體種類，并通過(guò)測(cè)量吸光度確定氣體含 量，解決現(xiàn)有氣敏傳感器靈敏度低、壽命有限、無(wú)矢量探測(cè)能力的問(wèn)題，并與CMOS工藝兼 容，可批量生產(chǎn)，便于降低成本，廣泛使用。
背景技術(shù)：
隨著科技發(fā)展與時(shí)代進(jìn)步，人們對(duì)及時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)控氣體環(huán)境的要求越來(lái)越高。傳統(tǒng) 的氣敏傳感器體積大功耗高，靈敏度低，性能一致性差，使用不便且成本高，難于推廣。MEMS 氣敏傳感器繼承微電子技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，體積小功耗低，性能一致性好，使用方便，但是基于敏 感膜類的MEMS氣敏傳感器一般都是利用敏感膜與目標(biāo)氣體發(fā)生選擇性吸附后引起電阻電 容等電參量或振動(dòng)頻率等機(jī)械參量的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體檢測(cè)的，這類傳感器往往存在靈敏度 與傳感器壽命難以折中的問(wèn)題。光譜分析作為化學(xué)分析的終極手段，是有效解決目前氣敏傳感器研發(fā)領(lǐng)域諸多問(wèn) 題的一個(gè)選擇，尤其是其在抗水汽干擾、選擇性等方面的的長(zhǎng)處更是敏感膜類氣敏傳感器 無(wú)法比擬的。但是已有的光譜式氣敏傳感器體積大成本高，不便于廣泛使用。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題為了解決現(xiàn)有氣敏傳感器選擇性差、靈敏度低、抗干擾能力弱、誤報(bào)率高、以及傳 感器易中毒等問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種CM0S/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器，以滿足人們對(duì) 于高精度氣體分析的要求。( 二)技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種CM0S/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器，利用氣體 的近紅外透射譜確定氣體種類和濃度，該傳感器由集成在硅襯底上的紅外光源1、光子晶體 色散棱鏡2、測(cè)量氣室3、參比氣室4、測(cè)量氣室紅外光電檢測(cè)陣列5和參比氣室紅外光電檢 測(cè)陣列6構(gòu)成。上述方案中，所述紅外光源1為集成在(110)硅襯底上的二極管，該二極管發(fā)出的 紅外光通過(guò)一對(duì)豎直狹縫102后，以相同的角度、等大功率入射在所述光子晶體色散棱鏡2 上，并在空間按波長(zhǎng)展開(kāi)。上述方案中，所述豎直狹縫102為硅襯底上刻蝕出的1微米寬，5微米深的狹縫，且 該對(duì)豎直狹縫102距紅外光源1出光口的距離相等。上述方案中，所述光子晶體色散棱鏡2為在(110)硅襯底上刻蝕出的孔洞陣列，該 陣列由等大的孔洞二維周期排布形成，其周期與孔洞的幾何尺寸均與近紅外波長(zhǎng)為相同數(shù) 量級(jí)，利用光子晶體對(duì)波長(zhǎng)敏感的超棱鏡效應(yīng)，將入射紅外光在空間展開(kāi)。上述方案中，所述測(cè)量氣室3和參比氣室4為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，大小相同，與光子晶體色散棱鏡2相接；測(cè)量氣室3為開(kāi)放結(jié)構(gòu)，與待分析氣體環(huán)境相通；參比氣室4則為封閉結(jié)構(gòu)， 內(nèi)封一個(gè)大氣壓的標(biāo)準(zhǔn)氣體，該標(biāo)準(zhǔn)氣體內(nèi)不含待檢測(cè)的特殊成分。上述方案中，所述測(cè)量氣室3尾部具有用于檢測(cè)通過(guò)氣室后的透射紅外光光強(qiáng)的 測(cè)量氣室紅外光電檢測(cè)陣列5，所述參比氣室4尾部具有用于檢測(cè)通過(guò)氣室后的透射紅外 光光強(qiáng)的參比氣室紅外光電檢測(cè)陣列6，經(jīng)色散的紅外光穿過(guò)氣室中的氣體后在各自的光 電檢測(cè)陣列上成像，并依檢測(cè)氣體的不同形成不同特征的透射譜，通過(guò)分析透射譜的特征 確定待測(cè)氣體的種類，并通過(guò)測(cè)量吸光度確定該氣體的含量。上述方案中，所述測(cè)量氣室紅外光電檢測(cè)陣列5和參比氣室紅外光電檢測(cè)陣列6 均為半導(dǎo)體珀?duì)栙N效應(yīng)制冷的InGaAs光電二極管線型陣列。上述方案中，所述光源1發(fā)出的紅外光經(jīng)所述光子晶體色散棱鏡2大角度分光后， 在測(cè)量氣室紅外光電檢測(cè)陣列5和參比氣室紅外光電檢測(cè)陣列6的不同像元上得到的結(jié)果 近似為不同波長(zhǎng)的單色光的成像結(jié)果，亦即測(cè)量氣室紅外光電檢測(cè)陣列5和參比氣室紅外 光電檢測(cè)陣列6上不同像元輸出的電信號(hào)對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的紅外光的強(qiáng)度。上述方案中，進(jìn)入測(cè)量氣室3的紅外光，會(huì)依待測(cè)氣體中目標(biāo)氣體的種類和濃度， 形成不同的透射譜，透射譜上吸收峰出現(xiàn)的位置表達(dá)了氣體種類特征，而吸收峰的強(qiáng)度則 體現(xiàn)了氣體的濃度變化；進(jìn)入?yún)⒈葰馐?的紅外光，由于未與目標(biāo)氣體發(fā)生作用，故而在目 標(biāo)氣體的透射譜上特征峰處的光強(qiáng)不會(huì)發(fā)生較大的變化；通過(guò)比較測(cè)量氣室3和參比氣室 4檢測(cè)到的透射譜，可檢測(cè)到待測(cè)氣體中目標(biāo)氣體的存在引起的光譜變化情況，包括位置和 強(qiáng)度兩個(gè)信息，經(jīng)信號(hào)處理電路分析所得數(shù)據(jù)，則可獲得待測(cè)氣體中目標(biāo)氣體的種類及其 濃度。(三)有益效果從以上技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果(1)本發(fā)明提供的CM0S/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器，利用氣體的近紅外透射譜 分析氣體，克服了基于化學(xué)反應(yīng)的氣敏傳感器中敏感材料對(duì)器件性能的影響，具有響應(yīng)快 速、靈敏度高、重復(fù)性和一致性好、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。(2)本發(fā)明提供的CM0S/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器，采用光子晶體超棱鏡為色 散元件，極大提高了分光能力，將光源發(fā)出的紅外光按波長(zhǎng)在空間上充分展開(kāi)，使得實(shí)際測(cè) 量結(jié)果與基于單色光的理論分析更為接近，傳感器的線性度大大提高。(3)本發(fā)明提供的CM0S/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器，針對(duì)氣體的近紅外光譜進(jìn) 行分析，并利用光電轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)直接轉(zhuǎn)換。近紅外區(qū)是氣體光譜的“指紋區(qū)”，同時(shí)， 利用這段光譜進(jìn)行分析，可避免中紅外光譜分析時(shí)需要利用紅外熱效應(yīng)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換的環(huán) 節(jié)，更加快速可靠。(4)本發(fā)明提供的CM0S/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器，采取差量檢測(cè)手段，有效抑 制環(huán)境溫度濕度等變化影響帶來(lái)共模噪聲，提高信噪比，測(cè)量結(jié)果更為精確。(5)本發(fā)明提供的CM0S/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器，與CMOS工藝完全兼容，利用 成熟的IC技術(shù)，將信號(hào)的檢測(cè)和處理分析集成在一起，并可通過(guò)制作傳感器陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)氣 體濃度的矢量分析，判斷氣源，符合氣敏傳感器小型化、陣列化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)。


圖1為本發(fā)明提供的CM0S/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器平面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明提供的CM0S/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器光電檢測(cè)線型陣列中某像 元的原理示意圖；圖中，紅外光源1、光子晶體色散棱鏡2、測(cè)量氣室3、參比氣室4、測(cè)量氣室紅外光 電檢測(cè)陣列5和參比氣室紅外光電檢測(cè)陣列6、狹縫102。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合分析環(huán)境氣體中苯 蒸汽為具體實(shí)例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖1所示，圖1為本發(fā)明提供的CM0S/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器結(jié)構(gòu)示意圖， 該傳感器主要由紅外紅源1、光子晶體色散棱鏡2、測(cè)量氣室3、參比氣室4、測(cè)量氣室紅外光 電檢測(cè)陣列5和參比氣室紅外光電檢測(cè)陣列6構(gòu)成。紅外光源1為集成在(110)硅襯底上的二極管，該二極管在0 5i!m有穩(wěn)定的紅 外輻射輸出，發(fā)光管發(fā)出的紅外光經(jīng)一對(duì)5微米深、1微米寬單晶硅狹縫后，被分為兩束，以 等大功率、相同角度入射在光子晶體色散棱鏡2上，并經(jīng)光子晶體色散棱鏡2分光后在測(cè)量 氣室紅外光電檢測(cè)陣列5和參比氣室紅外光電檢測(cè)陣列6的多個(gè)像元上分別成像。光子晶體色散棱鏡2和狹縫102是(110)硅襯底上制作的空間結(jié)構(gòu)，以氮化硅掩 膜，ICP定義刻蝕窗口后，通過(guò)各向異性濕法腐蝕獲得光潔度極高的豎直結(jié)構(gòu)。不同波長(zhǎng)的單色光的強(qiáng)度由測(cè)量氣室3和參比氣室4尾部的測(cè)量氣室紅外光電檢 測(cè)陣列5和參比氣室紅外光電檢測(cè)陣列6上不同空間位置的像元檢測(cè)。各像元如圖2所示， 為反偏的InGaAs光電二極管，照射在空間電荷區(qū)的紅外光引將起光生載流子的增加入射 光強(qiáng)越大，產(chǎn)生的載流子越多，回路的反偏飽和電流越大。為使光電二極管有更好的相應(yīng)特 性，需要對(duì)其進(jìn)行制冷至-20°C。通過(guò)各像元輸出的電信號(hào)可得到紅外光經(jīng)過(guò)氣室后形成的 透射譜。測(cè)量氣室3和參比氣室4大小相同、結(jié)構(gòu)對(duì)稱，區(qū)別在于測(cè)量氣室3是開(kāi)放結(jié)構(gòu)， 與待測(cè)環(huán)境相通，其內(nèi)部的氣體成分與環(huán)境相同，而參比氣室4則為封閉結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的氣 體為不含苯的標(biāo)準(zhǔn)氣體。紅外光源1發(fā)出的光分束后，由光子晶體色散棱鏡2將其所含各單色光分量展開(kāi)， 分別通過(guò)測(cè)量氣室3和參比氣室4，并通過(guò)測(cè)量氣室紅外光電檢測(cè)陣列5和參比氣室紅外光 電檢測(cè)陣列6獲得兩氣室內(nèi)部氣體的近紅外透射譜信號(hào)。將兩光譜進(jìn)行比較，可知測(cè)量氣 室3中各波長(zhǎng)的紅外光的吸光度變化。檢測(cè)苯的特征峰處吸光度的變化，便知待測(cè)氣體中
的苯含量。以上所述的具體實(shí)施實(shí)例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步 詳細(xì)的說(shuō)明。所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施實(shí)例而已，并不用于限制本發(fā) 明。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所做的任何修改、等同替換或者改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā) 明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種CMOS/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器，利用氣體的近紅外透射譜確定氣體種類和濃度，其特征在于，該傳感器由集成在硅襯底上的紅外光源(1)、光子晶體色散棱鏡(2)、測(cè)量氣室(3)、參比氣室(4)、測(cè)量氣室紅外光電檢測(cè)陣列(5)和參比氣室紅外光電檢測(cè)陣列(6)構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CM0S/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器，其特征在于，所述紅外光 源(1)為集成在(110)硅襯底上的二極管，該二極管發(fā)出的紅外光通過(guò)一對(duì)豎直狹縫(102) 后，以相同的角度、等大功率入射在所述光子晶體色散棱鏡(2)上，并在空間按波長(zhǎng)展開(kāi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的CM0S/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器，其特征在于，所述豎直狹 縫(102)為硅襯底上刻蝕出的1微米寬，5微米深的狹縫，且該對(duì)豎直狹縫(102)距紅外光 源(1)出光口的距離相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CM0S/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器，其特征在于，所述光子晶 體色散棱鏡⑵為在(110)硅襯底上刻蝕出的孔洞陣列，該陣列由等大的孔洞二維周期排 布形成，其周期與孔洞的幾何尺寸均與近紅外波長(zhǎng)為相同數(shù)量級(jí)，利用光子晶體對(duì)波長(zhǎng)敏 感的超棱鏡效應(yīng)，將入射紅外光在空間展開(kāi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CM0S/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器，其特征在于，所述測(cè)量 氣室(3)和參比氣室(4)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，大小相同，與光子晶體色散棱鏡(2)相接；測(cè)量氣室 (3)為開(kāi)放結(jié)構(gòu)，與待分析氣體環(huán)境相通；參比氣室(4)則為封閉結(jié)構(gòu)，內(nèi)封一個(gè)大氣壓的 標(biāo)準(zhǔn)氣體，該標(biāo)準(zhǔn)氣體內(nèi)不含待檢測(cè)的特殊成分。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的CM0S/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器，其特征在于，所述測(cè)量 氣室(3)尾部具有用于檢測(cè)通過(guò)氣室后的透射紅外光光強(qiáng)的測(cè)量氣室紅外光電檢測(cè)陣列 (5)，所述參比氣室(4)尾部具有用于檢測(cè)通過(guò)氣室后的透射紅外光光強(qiáng)的參比氣室紅外 光電檢測(cè)陣列(6)，經(jīng)色散的紅外光穿過(guò)氣室中的氣體后在各自的光電檢測(cè)陣列上成像，并 依檢測(cè)氣體的不同形成不同特征的透射譜，通過(guò)分析透射譜的特征確定待測(cè)氣體的種類， 并通過(guò)測(cè)量吸光度確定該氣體的含量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CM0S/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器，其特征在于，所述測(cè)量氣 室紅外光電檢測(cè)陣列(5)和參比氣室紅外光電檢測(cè)陣列(6)均為半導(dǎo)體珀?duì)栙N效應(yīng)制冷的 InGaAs光電二極管線型陣列。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CM0S/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器，其特征在于，所述光源 (1)發(fā)出的紅外光經(jīng)所述光子晶體色散棱鏡(2)大角度分光后，在測(cè)量氣室紅外光電檢測(cè) 陣列(5)和參比氣室紅外光電檢測(cè)陣列(6)的不同像元上得到的結(jié)果近似為不同波長(zhǎng)的單 色光的成像結(jié)果，亦即測(cè)量氣室紅外光電檢測(cè)陣列(5)和參比氣室紅外光電檢測(cè)陣列(6) 上不同像元輸出的電信號(hào)對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的紅外光的強(qiáng)度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的CM0S/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器，其特征在于，進(jìn)入測(cè)量氣室(3)的紅外光，會(huì)依待測(cè)氣體中目標(biāo)氣體的種類和濃度，形成不同的透 射譜，透射譜上吸收峰出現(xiàn)的位置表達(dá)了氣體種類特征，而吸收峰的強(qiáng)度則體現(xiàn)了氣體的 濃度變化；進(jìn)入?yún)⒈葰馐?4)的紅外光，由于未與目標(biāo)氣體發(fā)生作用，故而在目標(biāo)氣體的透射譜 上特征峰處的光強(qiáng)不會(huì)發(fā)生較大的變化；通過(guò)比較測(cè)量氣室(3)和參比氣室(4)檢測(cè)到的透射譜，可檢測(cè)到待測(cè)氣體中目標(biāo)氣體的存在引起的光譜變化情況，包括位置和強(qiáng)度兩個(gè)信息，經(jīng)信號(hào)處理電路分析所得數(shù)據(jù)，則可獲得待測(cè)氣體中目標(biāo)氣體的種類及其濃度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種CMOS/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器，利用待測(cè)氣體的近紅外透射譜進(jìn)行定性及定量分析。該傳感器由紅外光源、光子晶體色散棱鏡、紅外光電檢測(cè)陣列等部分組成，采用參比結(jié)構(gòu)，通過(guò)分析氣體近紅外透射譜的特征譜線位置來(lái)判定氣體種類，并由相應(yīng)的吸光度確定氣體濃度。利用本發(fā)明，解決了現(xiàn)有MEMS氣敏傳感器工藝復(fù)雜、壽命短的缺點(diǎn)，具有高靈敏度探測(cè)能力，且其制作與CMOS工藝兼容，可批量生產(chǎn)，降低成本，并通過(guò)集成陣列分析氣體濃度梯度。
文檔編號(hào)G01N21/17GK101839848SQ200910080060
公開(kāi)日2010年9月22日 申請(qǐng)日期2009年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月18日
發(fā)明者景玉鵬, 高超群 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所