一种多气体检测的红外气体传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种多气体检测的红外气体传感器，将红外辐射源与多个热电堆传感器采用标准CMOS／MEMS工艺制备于同一个芯片，各芯片间通过热隔离墙、隔热沟道和真空晶圆级对准封装的方式，实现对共面传感器之间的热串扰的降低。采用单片集成工艺方法，对多传感器进行同时加工，采用不同窄波段滤波片分别组装于共面排布的多个传感器，实现对不同气体进行分光检测，在大大降低加工成本的同时，降低了热串扰和功耗，并且进一步提高了检测精度。
【专利说明】一种多气体检测的红外气体传感器【技术领域】
[0001]本发明涉及红外气体传感器【技术领域】，尤其涉及的是一种多气体检测的红外气体传感器。
【背景技术】
[0002]物联网技术的发展为集成化、低功耗、低成本的红外气体传感器带来了广泛的应用需求。工业和日常生活中实现对危险品气体，诸如CO，CO2, NO, NO2, CH4的高灵敏检测，可以避免其泄露对社会财产和公共安全造成的巨大危害。在提高传感器探测性能和便携性的同时，实现多种气体非接触式同时检测，满足物联网、复杂环境对微红外多气体传感器的发展需求。红外气体传感器随MEMS和CMOS技术的发展，得以实现红外光学气体检测系统的微型化，与传统气体传感器相比较，在稳定性、功耗、灵敏度、可靠性、使用寿命、极快的响应恢复及成本等方面，都有显著的优势。
[0003]Rae System公司于2002年提出将分立的红外光源、探测器、气室集成在一个TO5管壳中作为小型化的红外气体传感器，并且能够用于检测碳氢化合物HC、二氧化碳0)2、一氧化碳CO和一氧化氮NO气体浓度，但是并未实现多种气体同时检测，多种气体进行检测前需分离增加了检测的复杂度和成本。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种多气体检测的红外气体传感器。
[0005]本发明的技术方案如下:
[0006]本发明首先提供一种多气体检测的红外气体传感器，包括四个敏感元，分别为:第一敏感元(I)、第二敏感元(2)、第三敏感元(3)和参比敏感元(4)，四个敏感元均布在以纳米表面修饰红外光源(6)为圆心的圆周上，其中第一敏感元(I)、第二敏感元(2)之间设置一个L型的隔热沟道(5)，第三敏感元(3)和参比敏感元(4)之间也设置一个L型的隔热沟道(5);四个敏感元和纳米表面修饰红外光源(6)外围均由热隔离墙(7)实现相互之间的热隔离，降低热串扰的影响；参比敏感元的窄带滤波片波段覆盖第一敏感元(I)、第二敏感元(2)、第三敏感元(3)，通过参比敏感元对其他三个传感器的信号进行计算和补偿修正。
[0007]所述的红外气体传感器，所述第一敏感元(I)、第二敏感元(2)、第三敏感元(3)和参比敏感元(4)均布在经过光源(5)的椭圆的焦点上。
[0008]本发明还提供所述纳米表面修饰红外光源(6)的制备工艺，步骤如下:
[0009](a)、在单晶硅衬底(61)上生长氮化硅(62)，实验条件:温度780°C，330mTorr，Six2Cl2:24sccm, NH3:90sccm ；
[0010](b)、非晶硅(63)的淀积:温度为270°C，气体比例分别为SIH4:24% NH3:55% N2:5.2% RF:170 ；
[0011](C)、Al溅射和退火:磁控溅射Al，条件:气压IOmTorr，通入Ar满足气压条件后，设置RF为8400W，然后在450°C下90min时间进行退火处理；
[0012](d)、湿法腐蚀Al膜:采用常规的Al腐蚀液，腐蚀后样品表面剩下Al-Si化合物颗粒;
[0013](e)、非晶硅干法刻蚀:采用 Cl2I8Osccm,压力 300mTorr，RF350W, He2OOsccm,温度35-40°C,刻蚀完成后形成表面金属娃化物组成的微掩蔽结构；
[0014](f)、正面释放孔的刻蚀，为释放单晶硅衬底做准备:气体CHF37sCCm，HelOOsccm,SF630sccm, RF150W，压力400mTorr ;采用磁控溅射的方法，溅射40-50A的TiN包覆金属硅化物和非晶娃外层，条件为Ar22.4sccm,N23.0sccm,压力为5e_3Torr,功率为1000W,真空度为 8e-7Pa ；
[0015](g)、XeF2正面释放硅衬底，形成微悬臂梁对红外光源进行支撑，条件为XeF24Torr, N220mTorr，温度为 2(TC。
[0016]本发明还提供参比敏感元对其他三个传感器的信号进行计算和补偿修正的方法，具体步骤为:所述红外气体浓度传感器的输出信号分为参比敏感元的输出信号uKrf.与检测
通道的输出信号uArt.,两输出信号UKrf.、UArt.与目标气体对红外光的吸收率^~有如下关系:
【权利要求】
1.一种多气体检测的红外气体传感器，其特征在于，包括四个即敏感元，分别为:第一敏感元(I)、第二敏感元(2)、第三敏感元(3)和参比敏感元(4)，四个敏感元均布在以纳米表面修饰红外光源(6)为圆心的圆周上，其中第一敏感元(I)、第二敏感元(2)之间设置一个L型的隔热沟道(5)，第三敏感元(3)和参比敏感元(4)之间也设置一个L型的隔热沟道(5);四个敏感元和纳米表面修饰红外光源(6)外围均由热隔离墙(7)实现相互之间的热隔离，降低热串扰的影响；参比敏感元的窄带滤波片波段覆盖第一敏感元(I)、第二敏感元(2)、第三敏感元(3)，通过参比敏感元对其他三个传感器的信号进行计算和补偿修正。
2.根据权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于，所述第一敏感元(I)、第二敏感元(2)、第三敏感元(3)和参比敏感元(4)均布在经过光源(5)的椭圆的焦点上。
3.根据权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于，所述纳米表面修饰红外光源(6)的制备工艺如下: (a)、在单晶硅衬底(61)上生长氮化硅(62)，实验条件:温度780°C，330mTorr，SiH2Cl2:.24sccm，NH3:90sccm ； (b)、非晶硅(63)的淀积:温度为270°C，气体比例分别为SIH4:24% NH3:55%N2:5.2%RF:170: (c)、Al溅射和退火:磁控溅射Al，条件:气压IOmTorr，通入Ar满足气压条件后，设置RF为8400W，然后在450°C下90min时间进行退火处理； (d)、湿法腐蚀Al膜:采用常规的Al腐蚀液，腐蚀后样品表面剩下Al-Si化合物颗粒； (e)、非晶硅干法刻蚀:采用Cl2180sccm,压力 300mTorr, RF350W, He200sccm,温度35-40°C,刻蚀完成后形成表面金属娃化物组成的微掩蔽结构； (f)、正面释放孔的刻蚀，为释放单晶硅衬底做准备:气体CHF37sCCm，HelOOsccm,SF630sccm, RF150W，压力400mTorr ;采用磁控溅射的方法，溅射40-50A的TiN包覆金属硅化物和非晶硅外层，条件为Ar22.4sccm, N23.0sccm，压力为5e_3Torr，功率为1000W，真空度为 8e_7Pa ； (g)、XeF2正面释放硅衬底，形成微悬臂梁对红外光源进行支撑，条件为XeF24Torr，N22OmTorr,温度为 20°C。
4.根据权利要求1所述的红外气体传感器，其特征在于，参比敏感元对其他三个传感器的信号进行计算和补偿修正的方法为:所述红外气体浓度传感器的输出信号分为参比敏感兀的输出信号uRef.与检测通道的输出信号Uikt.,两输出信号URef.>UAct.与目标气体对红外
5.根据权利要求4所述的红外气体传感器，其特征在于,参比敏感元对其他三个传感器的信号进行计算和补偿修正的方法中还包括环境参量的补偿，具体包括温度补偿机制、湿度补偿机制和压强补偿机制，具体为: 温度补偿机制为: 引入温度补偿参数λ，结合温度关系补偿红外气体浓度传感器内目标气体对红外光的吸收率定义温度补偿后红外气体浓度传感器内目标气体对红外光的吸收率:
【文档编号】H01L31/09GK103500770SQ201310500970
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年10月23日 优先权日:2013年10月23日
【发明者】谭秋林, 陈媛靖, 熊继军, 薛晨阳, 张文栋, 刘俊, 毛海央, 明安杰, 欧文, 陈大鹏 申请人:中北大学