專利名稱：Cmos/mems兼容光譜式氣敏傳感器的制作方法
技術領域：
本發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，并通過測量吸光度確定氣體含 量，解決現有氣敏傳感器靈敏度低、壽命有限、無矢量探測能力的問題，并與CMOS工藝兼 容，可批量生產，便于降低成本，廣泛使用。
背景技術：
隨著科技發展與時代進步，人們對及時準確監控氣體環境的要求越來越高。傳統 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的優勢，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氣體發生選擇性吸附后引起電阻電 容等電參量或振動頻率等機械參量的變化來實現氣體檢測的，這類傳感器往往存在靈敏度 與傳感器壽命難以折中的問題。光譜分析作為化學分析的終極手段，是有效解決目前氣敏傳感器研發領域諸多問 題的一個選擇，尤其是其在抗水汽干擾、選擇性等方面的的長處更是敏感膜類氣敏傳感器 無法比擬的。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。
發明內容
(一 )要解決的技術問題為了解決現有氣敏傳感器選擇性差、靈敏度低、抗干擾能力弱、誤報率高、以及傳 感器易中毒等問題，本發明提供了一種CM0S/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器，以滿足人們對 于高精度氣體分析的要求。( 二)技術方案為達到上述目的，本發明提供一種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、測量氣室3、參比氣室4、測量氣室紅外光電檢測陣列5和參比氣室紅外光電檢 測陣列6構成。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，該二極管發出的 紅外光通過一對豎直狹縫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，并在空間按波長展開。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為相同數 量級，利用光子晶體對波長敏感的超棱鏡效應，將入射紅外光在空間展開。上述方案中，所述測量氣室3和參比氣室4為對稱結構，大小相同，與光子晶體色散棱鏡2相接；測量氣室3為開放結構，與待分析氣體環境相通；參比氣室4則為封閉結構， 內封一個大氣壓的標準氣體，該標準氣體內不含待檢測的特殊成分。上述方案中，所述測量氣室3尾部具有用于檢測通過氣室后的透射紅外光光強的 測量氣室紅外光電檢測陣列5，所述參比氣室4尾部具有用于檢測通過氣室后的透射紅外 光光強的參比氣室紅外光電檢測陣列6，經色散的紅外光穿過氣室中的氣體后在各自的光 電檢測陣列上成像，并依檢測氣體的不同形成不同特征的透射譜，通過分析透射譜的特征 確定待測氣體的種類，并通過測量吸光度確定該氣體的含量。上述方案中，所述測量氣室紅外光電檢測陣列5和參比氣室紅外光電檢測陣列6 均為半導體珀爾貼效應制冷的InGaAs光電二極管線型陣列。上述方案中，所述光源1發出的紅外光經所述光子晶體色散棱鏡2大角度分光后， 在測量氣室紅外光電檢測陣列5和參比氣室紅外光電檢測陣列6的不同像元上得到的結果 近似為不同波長的單色光的成像結果，亦即測量氣室紅外光電檢測陣列5和參比氣室紅外 光電檢測陣列6上不同像元輸出的電信號對應不同波長的紅外光的強度。上述方案中，進入測量氣室3的紅外光，會依待測氣體中目標氣體的種類和濃度， 形成不同的透射譜，透射譜上吸收峰出現的位置表達了氣體種類特征，而吸收峰的強度則 體現了氣體的濃度變化；進入參比氣室4的紅外光，由于未與目標氣體發生作用，故而在目 標氣體的透射譜上特征峰處的光強不會發生較大的變化；通過比較測量氣室3和參比氣室 4檢測到的透射譜，可檢測到待測氣體中目標氣體的存在引起的光譜變化情況，包括位置和 強度兩個信息，經信號處理電路分析所得數據，則可獲得待測氣體中目標氣體的種類及其 濃度。(三)有益效果從以上技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果(1)本發明提供的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，克服了基于化學反應的氣敏傳感器中敏感材料對器件性能的影響，具有響應快 速、靈敏度高、重復性和一致性好、抗干擾能力強、壽命長等特點。(2)本發明提供的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，將光源發出的紅外光按波長在空間上充分展開，使得實際測 量結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)本發明提供的CM0S/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器，針對氣體的近紅外光譜進 行分析，并利用光電轉換方式實現信號直接轉換。近紅外區是氣體光譜的“指紋區”，同時， 利用這段光譜進行分析，可避免中紅外光譜分析時需要利用紅外熱效應進行信號轉換的環 節，更加快速可靠。(4)本發明提供的CM0S/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器，采取差量檢測手段，有效抑 制環境溫度濕度等變化影響帶來共模噪聲，提高信噪比，測量結果更為精確。(5)本發明提供的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，將信號的檢測和處理分析集成在一起，并可通過制作傳感器陣列來實現氣 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、智能化的發展趨勢。
圖1為本發明提供的CM0S/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器平面結構示意圖；圖2為本發明提供的CM0S/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器光電檢測線型陣列中某像 元的原理示意圖；圖中，紅外光源1、光子晶體色散棱鏡2、測量氣室3、參比氣室4、測量氣室紅外光 電檢測陣列5和參比氣室紅外光電檢測陣列6、狹縫102。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合分析環境氣體中苯 蒸汽為具體實例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。如圖1所示，圖1為本發明提供的CM0S/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器結構示意圖， 該傳感器主要由紅外紅源1、光子晶體色散棱鏡2、測量氣室3、參比氣室4、測量氣室紅外光 電檢測陣列5和參比氣室紅外光電檢測陣列6構成。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有穩定的紅 外輻射輸出，發光管發出的紅外光經一對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，并經光子晶體色散棱鏡2分光后在測量 氣室紅外光電檢測陣列5和參比氣室紅外光電檢測陣列6的多個像元上分別成像。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構，以氮化硅掩 膜，ICP定義刻蝕窗口后，通過各向異性濕法腐蝕獲得光潔度極高的豎直結構。不同波長的單色光的強度由測量氣室3和參比氣室4尾部的測量氣室紅外光電檢 測陣列5和參比氣室紅外光電檢測陣列6上不同空間位置的像元檢測。各像元如圖2所示， 為反偏的InGaAs光電二極管，照射在空間電荷區的紅外光引將起光生載流子的增加入射 光強越大，產生的載流子越多，回路的反偏飽和電流越大。為使光電二極管有更好的相應特 性，需要對其進行制冷至-20°C。通過各像元輸出的電信號可得到紅外光經過氣室后形成的 透射譜。測量氣室3和參比氣室4大小相同、結構對稱，區別在于測量氣室3是開放結構， 與待測環境相通，其內部的氣體成分與環境相同，而參比氣室4則為封閉結構，其內部的氣 體為不含苯的標準氣體。紅外光源1發出的光分束后，由光子晶體色散棱鏡2將其所含各單色光分量展開， 分別通過測量氣室3和參比氣室4，并通過測量氣室紅外光電檢測陣列5和參比氣室紅外光 電檢測陣列6獲得兩氣室內部氣體的近紅外透射譜信號。將兩光譜進行比較，可知測量氣 室3中各波長的紅外光的吸光度變化。檢測苯的特征峰處吸光度的變化，便知待測氣體中
的苯含量。以上所述的具體實施實例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步 詳細的說明。所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施實例而已，并不用于限制本發 明。凡在本發明的精神和原則之內所做的任何修改、等同替換或者改進等，均應包含在本發 明的保護范圍之內。
權利要求
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)、測量氣室(3)、參比氣室(4)、測量氣室紅外光電檢測陣列(5)和參比氣室紅外光電檢測陣列(6)構成。
2.根據權利要求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，該二極管發出的紅外光通過一對豎直狹縫(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，并在空間按波長展開。
3.根據權利要求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，且該對豎直狹縫(102)距紅外光 源(1)出光口的距離相等。
4.根據權利要求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為相同數量級，利用光子晶體對波長敏 感的超棱鏡效應，將入射紅外光在空間展開。
5.根據權利要求1所述的CM0S/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器，其特征在于，所述測量 氣室(3)和參比氣室(4)為對稱結構，大小相同，與光子晶體色散棱鏡(2)相接；測量氣室 (3)為開放結構，與待分析氣體環境相通；參比氣室(4)則為封閉結構，內封一個大氣壓的 標準氣體，該標準氣體內不含待檢測的特殊成分。
6.根據權利要求5所述的CM0S/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器，其特征在于，所述測量 氣室(3)尾部具有用于檢測通過氣室后的透射紅外光光強的測量氣室紅外光電檢測陣列 (5)，所述參比氣室(4)尾部具有用于檢測通過氣室后的透射紅外光光強的參比氣室紅外 光電檢測陣列(6)，經色散的紅外光穿過氣室中的氣體后在各自的光電檢測陣列上成像，并 依檢測氣體的不同形成不同特征的透射譜，通過分析透射譜的特征確定待測氣體的種類， 并通過測量吸光度確定該氣體的含量。
7.根據權利要求1所述的CM0S/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器，其特征在于，所述測量氣 室紅外光電檢測陣列(5)和參比氣室紅外光電檢測陣列(6)均為半導體珀爾貼效應制冷的 InGaAs光電二極管線型陣列。
8.根據權利要求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)發出的紅外光經所述光子晶體色散棱鏡(2)大角度分光后，在測量氣室紅外光電檢測 陣列(5)和參比氣室紅外光電檢測陣列(6)的不同像元上得到的結果近似為不同波長的單 色光的成像結果，亦即測量氣室紅外光電檢測陣列(5)和參比氣室紅外光電檢測陣列(6) 上不同像元輸出的電信號對應不同波長的紅外光的強度。
9.根據權利要求8所述的CM0S/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器，其特征在于，進入測量氣室(3)的紅外光，會依待測氣體中目標氣體的種類和濃度，形成不同的透 射譜，透射譜上吸收峰出現的位置表達了氣體種類特征，而吸收峰的強度則體現了氣體的 濃度變化；進入參比氣室(4)的紅外光，由于未與目標氣體發生作用，故而在目標氣體的透射譜 上特征峰處的光強不會發生較大的變化；通過比較測量氣室(3)和參比氣室(4)檢測到的透射譜，可檢測到待測氣體中目標氣體的存在引起的光譜變化情況，包括位置和強度兩個信息，經信號處理電路分析所得數據，則可獲得待測氣體中目標氣體的種類及其濃度。
全文摘要
本發明公開了一種CMOS/MEMS兼容光譜式氣敏傳感器，利用待測氣體的近紅外透射譜進行定性及定量分析。該傳感器由紅外光源、光子晶體色散棱鏡、紅外光電檢測陣列等部分組成，采用參比結構，通過分析氣體近紅外透射譜的特征譜線位置來判定氣體種類，并由相應的吸光度確定氣體濃度。利用本發明，解決了現有MEMS氣敏傳感器工藝復雜、壽命短的缺點，具有高靈敏度探測能力，且其制作與CMOS工藝兼容，可批量生產，降低成本，并通過集成陣列分析氣體濃度梯度。
文檔編號G01N21/17GK101839848SQ200910080060
公開日2010年9月22日 申請日期2009年3月18日 優先權日2009年3月18日
發明者景玉鵬, 高超群 申請人:中國科學院微電子研究所