專利名稱：微型紅外線氣體分析裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體分析裝置，特別涉及一種基于硅微加工技術(shù)所制造的微型紅外線氣體分析裝置。
但不論是傳統(tǒng)式或微加工式，都有其最大的缺點，即無法有效做氣體鑒別(區(qū)分氣體種類)，以一氧化碳與酒精為例，兩者都會與氧化錫反應(yīng)，一旦感測到氣體，將無法鑒別是一氧化碳或是酒精所引起的。此外固態(tài)式氣體感測器靈敏度較低，較易受環(huán)境的干擾(如濕度與溫度等)，且材料在高溫的環(huán)境下長期操作也會有老化的問題。
運用紅外線吸收光譜技術(shù)所發(fā)展的紅外線氣體偵測裝置，可解決上述固態(tài)式氣體感測裝置所遇到的困難。請參見

圖1，其是為不同氣體紅外線吸收光譜的特性。由圖1中可以清楚發(fā)現(xiàn)不同氣體所對應(yīng)的吸收波長有相當(dāng)大的差距(例如CO2為4.3μm，CO為4.7μm)，以目前光學(xué)鍍膜所制作的各種窄頻帶通濾波器(Narrow Bandpass Filter)是可以滿足相當(dāng)精細的光譜鑒別的。
然而，已知的紅外線氣體偵測裝置功率消耗大，是因為傳統(tǒng)的電阻絲紅外線光源焦耳功率大。再有，以光學(xué)鍍膜所制作的各種窄頻帶通濾波器效率低，而且環(huán)境效應(yīng)所導(dǎo)致的波長漂移亦是一大問題，如果同時要對多種氣體作偵測，則必須建構(gòu)多組帶通濾波器，這一些問題使得其價格昂貴而不利于推廣。請參見美國專利編號5,852,308，5,468,962，5,861,545。
有鑒于此，本發(fā)明將提出一嶄新的微型紅外線氣體分析裝置。
解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是這樣的一種微型紅外線氣體分析裝置，主要包括有一紅外線發(fā)射單元，其特征是該紅外線發(fā)射單元為利用熱阻絲黑體輻射原理發(fā)射出一寬廣的紅外線光譜的微型紅外線發(fā)射單元，同時還包括以下微型元件一將紅外線發(fā)射單元出射的紅外線變成平行紅外線光束的紅外線準直鏡；一篩選包含至少一待測氣體吸收光譜在內(nèi)的一紅外線波段，并且只允許特定幾何區(qū)域的紅外線光束通過的帶通與空間濾波器；一同一時間僅允許單一待測氣體吸收光譜的窄頻波長通過的調(diào)頻濾波單元，基于Fabry-Perot干涉儀原理，利用電場控制光學(xué)共振腔的長度；一判別待測氣體的濃度與種類的感測單元；一作為輸出/入界面控制的微電腦控制單元；該紅外線發(fā)射單元包括一硅微加工技術(shù)制作的微型熱阻紅外線發(fā)射器，根據(jù)黑體輻射的原理，向四面八方發(fā)射包含各種波段的輻射光線；一穩(wěn)定微型熱阻紅外線發(fā)射器溫度的等溫度驅(qū)動電路，不受室溫漂移的影響，而影響特定波長的光出射度，降低量測的靈敏度；該微型熱阻紅外線發(fā)射器包括一晶向為100的硅基板，具有第一及第二表面；一硅異方性蝕刻制作的V-型槽形成于該硅基板的第一或第二表面；一懸浮薄板，形成于該V-型槽上；
一熱阻材料，制作于該懸浮薄板中；一黑體材料，制作于懸浮薄板最表面，以增加光輻射的出射度；該熱阻材料為高溫度系數(shù)的硅、白金；該黑體材料為金黑及白金黑；該帶通與空間濾波器包括一晶向為100的硅基板，具有第一及第二表面；一帶通光學(xué)薄膜制作于硅基板的第一表面，濾除至少一待測氣體以外的紅外線光譜波段；一具有特定幾何形狀開口的金屬薄膜作為空間濾波器，制作于帶通光學(xué)薄膜上；一硅異方性蝕刻制作的V-型槽，該V-型槽開口形成于硅基板的第二表面，該V-型槽蝕穿硅基板以致V-型槽方形底部暴露出帶通光學(xué)薄膜與金屬薄膜空間濾波器的特定幾何形狀開口；該帶通光學(xué)薄膜是多層介電質(zhì)材料所組成；該多層介電層基本組成單位為一對折射系數(shù)高與折射系數(shù)低的介電材料；該金屬薄膜空間濾波器材料為Ti/Au或Cr/Au，其中Ti或Cr作為附著層；該調(diào)頻濾波單元包括一硅微加工技術(shù)制作的微型調(diào)頻濾波器，以電場控制改變光學(xué)共振腔的長度以篩選欲偵測氣體的紅外線吸收波長；一提供一直流電壓及一微小的交流電壓的驅(qū)動振蕩電路，使該微型調(diào)頻濾波器兼具波長篩選與光學(xué)調(diào)制器的功能；該微型調(diào)頻濾波器包括一硅絕緣層硅基板，一氧化硅絕緣層將該硅絕緣層硅基板分為正面與反面兩硅晶片；一懸浮機械結(jié)構(gòu)，該懸浮機械結(jié)構(gòu)包含一薄板結(jié)構(gòu)及至少一細長支腳，該至少一細長支腳的第一端點是與薄板結(jié)構(gòu)連接，該至少一細長支腳的第二端點則連接于至少一固定區(qū)域；
至少一分隔塊，連接該至少一固定區(qū)域與其正面硅晶片；一空氣間隙，形成于該懸浮機械結(jié)構(gòu)與正面硅晶片表面間，該空氣間隙的起始距離是由至少一分隔塊的高度決定；一第一反射鏡制作于薄板結(jié)構(gòu)中央；一浮動電極制作于薄板結(jié)構(gòu)上，該浮動電極是通過至少一細長支腳及至少一固定區(qū)域與外界作電性連接；一固定電極，制作于正面硅晶片表面，位于浮動電極正下方，與該浮動電極距離該空氣間隙；一共振腔V-型凹槽制作于正面硅晶片中，位于第一反射鏡正下方，該共振腔V-型凹槽方形平坦底部暴露出位于硅絕緣層硅基板中間的氧化硅絕緣層；至少一防沾黏V-型凹槽，制作于正面硅晶片中，位于該至少一細長支腳正下方；一背面凹槽，制作于反面硅晶片中，正對準于第一反射鏡，該背面凹槽平坦底部暴露出位于硅絕緣層硅基板中間的氧化硅絕緣層；一第二反射鏡，制作于背面凹槽平坦底部上；該懸浮機械結(jié)構(gòu)材料依序為富硅氮化硅、多晶硅及富硅氮化硅所組成的三明治結(jié)構(gòu)；該浮動電極材料為多晶硅；該分隔塊材料為多晶硅或非晶硅；該第一及第二反射鏡，是由多對高折射系數(shù)/低折射系數(shù)介電材料所制作的高反射率反射鏡；該感測單元包括一硅微加工技術(shù)制作的微型熱偵測器；一鎖相讀取電路，將微型熱偵測器輸出的電交流訊號與該驅(qū)動振蕩電路的調(diào)制頻率作比對，以提高感測訊號的訊雜比，并且可以免除環(huán)境效應(yīng)(溫度變化)造成的雜訊問題；該微型熱偵測器包括
一晶向為100的硅基板，具有第一及第二表面；一硅異方性蝕刻制作的V-型槽形成于硅基板的第一或第二表面；一懸浮薄板，形成于V-型槽上；至少一熱電偶，制作于懸浮薄板中，該至少一熱電偶的熱接觸區(qū)位于懸浮薄板的中央部分，該至少一熱電偶的冷接觸區(qū)位于V-型槽邊緣的硅基板上；一黑體材料，制作于懸浮薄板表面，增加光輻射的吸收；該熱電偶，包含第一及第二熱電偶材料，該第一及第二熱電偶材料為N型及P型硅半導(dǎo)體構(gòu)成，抑或一硅半導(dǎo)體與一金屬導(dǎo)體構(gòu)成；該黑體材料為金黑或白金黑。
本發(fā)明是關(guān)于一種微型紅外線氣體分析裝置的設(shè)計，包括一紅外線發(fā)射單元，利用熱阻絲黑體輻射原理，發(fā)射出一寬廣的紅外線光譜；一紅外線準直鏡，將該紅外線發(fā)射單元出射的紅外線變成平行紅外線光束；一帶通與空間濾波器，篩選包含至少一待測氣體吸收光譜在內(nèi)的一紅外線波段，并且只允許特定幾何區(qū)域的紅外線光束通過；一調(diào)頻濾波單元，其原理為Fabry-Perot干涉儀，利用電場控制光學(xué)共振腔的長度，同一時間僅允許單一待測氣體吸收光譜的窄頻波長通過；及一感測單元，根據(jù)該入射窄頻波長強度判別待測氣體的濃度與種類；以及一微電腦控制單元，作為輸出/入界面控制。
關(guān)于該紅外線發(fā)射單元，包括一硅微加工技術(shù)制作的微型熱阻紅外線發(fā)射器，根據(jù)黑體輻射的原理，向四面八方發(fā)射包含各種波段的輻射光線，以及一等溫度(電阻)驅(qū)動電路，穩(wěn)定該微型熱阻紅外線發(fā)射器的溫度，不受室溫漂移而影響特定波長的光出射度，降低量測的靈敏度。
關(guān)于該帶通與空間濾波器，包括一晶向為(100)的硅基板，具有第一及第二表面；一帶通光學(xué)薄膜制作于該硅基板的第一表面，濾除至少一待測氣體以外的紅外線光譜波段；一具有特定幾何形狀開口的金屬薄膜作為空間濾波器，制作于帶通光學(xué)薄膜上；以及一硅異方性蝕刻制作的V-型槽，該V-型槽開口形成于硅基板的第二表面，該V-型槽蝕穿硅基板以致該V-型槽方形底部暴露出帶通光學(xué)薄膜與金屬薄膜空間濾波器的特定幾何形狀開口。
關(guān)于調(diào)頻光學(xué)濾波單元，包括一硅微加工技術(shù)制作的微型調(diào)頻濾波器，利用電場控制以改變光學(xué)共振腔的長度以篩選欲偵測氣體的紅外線吸收波長；以及一驅(qū)動振蕩電路，提供一直流電壓及一微小的交流電壓，使該微型調(diào)頻濾波器兼具波長篩選與光學(xué)調(diào)制器的功能。
關(guān)于感測單元，包括一硅微加工技術(shù)制作的微型熱偵測器；以及一鎖相讀取電路，將該微型熱偵測器輸出的電交流訊號與該驅(qū)動振蕩電路的調(diào)制頻率作比對，以提高感測訊號的訊雜比，并且可以免除環(huán)境效應(yīng)(溫度變化)造成的雜訊問題從而解決了使其具低功率、低成本的應(yīng)用于各種氣體的定性及定量分析的技術(shù)問題。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，該微型化紅外線氣體分析裝置包括一紅外線發(fā)射單元，利用熱阻絲黑體輻射原理，發(fā)射出一寬廣的紅外線光譜；一紅外線準直鏡，將該紅外線發(fā)射單元出射的紅外線變成平行紅外線光束；一帶通與空間濾波器，篩選包含至少一待測氣體吸收光譜在內(nèi)的一紅外線波段，并且只允許特定幾何區(qū)域的紅外線光束通過；一調(diào)頻濾波單元，其原理為Fabry-Perot干涉儀，利用電場控制光學(xué)共振腔的長度，同一時間僅允許單一待測氣體吸收光譜的窄頻波長通過；及一感測單元，根據(jù)該入射窄頻波長強度判別待測氣體的濃度與種類；以及一微電腦控制單元，作為輸出/入界面控制；基于硅微加工技術(shù)所制造的各種微型元件以符合低功率消耗與低成本的要求，以應(yīng)用于各種氣體紅外線吸收光譜的定性及定量分析，而具實用性。
圖2是本發(fā)明微型紅外線氣體分析裝置的功能性方塊圖。
圖3是本發(fā)明微型紅外線氣體分析裝置各組件安排示意圖。
圖4a是本發(fā)明實施例微型熱阻紅外線發(fā)射器的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4b是圖4a沿著A-A線所示的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5a是本發(fā)明的微型熱阻紅外線發(fā)射器另一實施例俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5b是圖5a沿著A-A線所示的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是本發(fā)明的微型帶通與空間濾波器的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是本發(fā)明實施例微型調(diào)頻濾波器的結(jié)構(gòu)剖視圖。
圖8a是本發(fā)明實施例微型熱電堆偵測器的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8b是圖8a沿著A-A線所示的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9a是本發(fā)明微型熱電堆偵測器另一實施例的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9b是圖9a沿著A-A線所示的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
為了清楚說明圖2所示功能性方塊圖的實體示意結(jié)構(gòu)，請參見圖3，其是本發(fā)明微型紅外線氣體分析裝置各組件安排示意圖。紅外線發(fā)射單元10包含一硅微加工技術(shù)制作的熱阻(Thermo-Resistive)紅外線發(fā)射器(IREmitter)10a及一等溫度(電阻)驅(qū)動電路10b，該微型熱阻紅外線發(fā)射器10a可以視為一點光源，根據(jù)黑體輻射(Black-Body Radiation)的原理，向四面八方發(fā)射紅外線光譜，通過一紅外線準直鏡20，將所搜集的最大錐形光束(光線11所涵蓋角錐區(qū)域)變成平行光束21。該紅外線準直鏡20所適用的材料為對于3-5μm抑或2-8μm有良好穿透率如硅、單晶氧化鋁(Saphire)及氟化鎂等。
一微型帶通與空間濾波器30，包含一帶通光學(xué)膜33，一圓形或方形開口的金屬層34作為空間濾波器。該帶通光學(xué)膜33的主要功能為濾除至少一待測氣體以外的光譜波段。該空間濾波器34，僅允許部分的光束21通過該金屬層34的該圓形或方形開口，即光線12所涵蓋的區(qū)域，其目的是配合以下的微型調(diào)頻濾波器50a的共振腔面積。
一微型調(diào)頻濾波器50a，利用電場控制以改變Fabry-Perot共振腔的長度以篩選特定的窄頻光波長(欲偵測氣體的紅外線吸收波長)，該驅(qū)動振蕩電路50b提供一直流電壓V0及一微小的交流電壓ΔVsinωt，使該調(diào)頻濾波器50a兼具波長篩選與光學(xué)調(diào)制器(Modulator)的功能。
一微型熱偵測器60a，偵測調(diào)頻濾波器50a所篩選的該窄頻光波長的強度，一鎖相讀取電路60b比對該紅外線偵測器60a輸出的交流訊號I(ω)與該驅(qū)動振蕩電路50b的調(diào)制頻率ω，以提高感測訊號的訊雜比(S/N Ratio)，并且可以免除環(huán)境效應(yīng)(溫度變化)造成的雜訊問題。
為了更清楚說明圖3中所示利用硅微加工技術(shù)制作的微型元件的制造方式及有別于傳統(tǒng)元件的優(yōu)越性，以下將以幾個單元詳細說明。
微型熱阻紅外線發(fā)射器(Micro Thermo-Resistive IR Emitter)利用發(fā)熱電阻產(chǎn)生紅外線的方式是根據(jù)黑體輻射原理，由韋氏位移定理(Wien′s Displacement Law)可以確認光輻射出射度(Exitance)最大值與溫度T及波長λ的關(guān)系，描述如下公式(1)λT＝2897.8(μm K) (1)正常人在37℃，最大出射度的波長為9.35μm，當(dāng)應(yīng)用于氣體的紅外線吸收光譜(3～5μm或2-8μm)，可以想見熱阻絲的溫度必須高達幾百℃以上方能得到足夠的光輻射出射度，這使得傳統(tǒng)的熱阻絲紅外線發(fā)射器功率消耗相當(dāng)大，且是利用人力逐一制造，品質(zhì)控管不易，增加后段校正的難度，這都是使其價格昂貴的原因。而利用硅微加工技術(shù)正可以解決功率消耗的問題，并通過硅半導(dǎo)體制程批量生產(chǎn)解決品質(zhì)控管的問題(請參見J.S.Shie，Bruce C.S.Chou，and Y.M.CHen，High performance Pirani Vacuumgauge，J.Vac.Sci.Tech，A，13(6)1995 pp.2972-2979.)。
請參見圖4a，其是為本發(fā)明微型熱阻紅外線發(fā)射器10a的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。而圖4b是為圖4a沿著A-A線所示的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。其中，一晶向為(100)的硅基板100，一懸浮薄板(Membrane)101，由四細長支腳102支撐并固定于一V-型槽106的邊緣，該V-型槽106的形成是通過蝕刻窗口105的定義及硅異方性蝕刻(Anisotropic Etching)技術(shù)完成。該薄板結(jié)構(gòu)101及該細長支腳102是由介電材料101a及101b所組成，該介電材料101a及101b通常為半導(dǎo)體制程中常見的氧化硅及氮化硅抑或上述兩者的排列組合而成。在該薄板結(jié)構(gòu)101內(nèi)部制作有一熱阻材料103，其通常為高溫度系數(shù)(Temperature Coefficient of Resistance)的熱敏電阻材料如硅、白金等。而懸浮薄板的最表面則制作一黑體材料104，其通常為非常薄的金屬薄膜，例如金黑(Gold-Black)及白金黑(Platinum-Black)借以增加光輻射的出射度。
圖4a及圖4b所示的微型熱阻紅外線發(fā)射器由懸浮結(jié)構(gòu)的形成，可以有效的降低熱傳導(dǎo)值，其值通常介于1μW/℃～10μW/℃，因此僅需要相當(dāng)小的焦耳功率便足以產(chǎn)生相當(dāng)好的加熱效果。舉例說明，多晶硅熱阻絲為1KΩ，通過電流為1mA，可以產(chǎn)生1mW的功率，如果微型熱阻紅外線發(fā)射器的熱傳導(dǎo)值為3μW/℃，則懸浮薄板結(jié)構(gòu)101的溫度將達300℃以上，這一良好的熱效率是傳統(tǒng)元件無法達到的。同時，該細長支腳102對于該懸浮薄板結(jié)構(gòu)101與基板100間的熱絕緣性相當(dāng)好，以及該懸浮薄板結(jié)構(gòu)101可以視為等溫區(qū)，而該基板100則處于室溫。同時，薄板結(jié)構(gòu)101的面積相當(dāng)小(～mm×mm)，故可以視為點光源，這對于后續(xù)光路的設(shè)計可相當(dāng)簡化。再有通過一等溫度(電阻)驅(qū)動電路10b的控制，可以穩(wěn)定該懸浮薄板結(jié)構(gòu)101的溫度，不受室溫漂移而影響特定波長的光出射度，降低量測的靈敏度。
請參見圖5a，其是本發(fā)明微型熱阻紅外線發(fā)射器另一實施例的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。而圖5b是為圖5a沿著A-A線所示的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖5a及圖5b所示結(jié)構(gòu)與圖4a及圖4b差別僅在于利用背面異方性蝕刻形成該V-型槽106，其余制程及設(shè)計皆相通，在此不贅述。
微型帶通與空間濾波器(Micro Bandpass and Spatial Filter)已知的光學(xué)帶通濾波器是在一光學(xué)基板(例如石英玻璃)制作光學(xué)薄膜，其品質(zhì)要求為光學(xué)基板及光學(xué)鍍膜的材料對于所要求的光學(xué)頻道穿透率好(低吸收系數(shù))，特別是光學(xué)基板的厚度遠大于光學(xué)薄膜，因此決定了更多的光強度吸收，因此，高品質(zhì)的光學(xué)基板扮演重要的因素。同時，對于氣體紅外線吸收光譜(3～5μm或2～8μm)頻寬而言，高穿透率的紅外線光學(xué)基板更是稀少而昂貴。為此，本發(fā)明提出一微型帶通濾波器以解決上述的問題。
請參見圖6，其是本發(fā)明微型帶通與空間濾波器30的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。其中，31為一晶向為(100)的硅基板，該硅基板31的一面制作有一帶通光學(xué)膜33，該帶通光學(xué)膜33是多層介電質(zhì)材料所組成。多層介電層基本組成單位為一對折射系數(shù)高與折射系數(shù)低的介電材料，其通常為TiO2/MgF2。而其厚度t分別滿足nt＝λ/4，其中n為折射系數(shù)，λ為通過頻段的中心波長。一硅異方性蝕刻形成的V-型槽32去除了部分的硅基板31，而暴露出部分的帶通光學(xué)膜33而形成一薄膜(Diaphragm)結(jié)構(gòu)35，此舉可以去除掉硅基板31對于特定光譜的吸收(例如可見光等)。搭配上一空間濾波器34的篩選，即為紅外線通過的幾何區(qū)域，而該空間濾波器34的制作則是一標準的半導(dǎo)體制程程序以鍍膜及蝕刻方式所制作的金屬圖形，該金屬材料通常為Ti/Au或Cr/Au，其中Ti或Cr是作為附著層用。
微型調(diào)頻濾波器(Micro Tunable Filter)常見的調(diào)頻濾波器是基于Fabry-Perot干涉儀(簡稱FP干涉儀)原理，主要是利用兩高反射率反射鏡所組成的可調(diào)變(傳統(tǒng)調(diào)變方式為利用壓電材料調(diào)制)光學(xué)共振腔(Resonant Cavity)，當(dāng)共振腔長度滿足特定光波長的半整數(shù)倍m/2(m代表階數(shù))時，輸出的光脈沖具有非常窄的半高寬(FWHM FullWidth of Half Maxilmum)特性，廣泛的應(yīng)用于光通訊及各種光譜檢測設(shè)備。然而利用傳統(tǒng)的加工技術(shù)及組裝是無法制造出具備寬廣調(diào)變(Free SpectralRange，F(xiàn)SR)光譜特性的FP干涉儀，主要原因為共振腔的長度太大(FSR反比于共振腔長度)所造成。利用微加工技術(shù)所制作的微型調(diào)頻濾波器可以解決此一問題，其光譜調(diào)變范圍可以高達1～2μm，這樣的結(jié)果使其具有等效于如光柵(Grating)分光的光譜儀功能(請參見美國專利編號5,550,375)，這是傳統(tǒng)FP干涉儀所無法達到的，也是微型調(diào)頻光學(xué)濾波器的最大的特色。更是本發(fā)明將之利用于紅外線光譜檢測的最主要原因。再者低功率消耗及硅半導(dǎo)體似的批量生產(chǎn)低成本也是一重大原因。
請參見圖7，其是本發(fā)明實施例微型調(diào)頻濾波器50a的結(jié)構(gòu)剖視圖。包含一硅基板500，該硅基板500是為一硅絕緣層硅晶片(Silicon OnInsulator，SOI)，該硅基板500中間有一氧化硅絕緣層500b將該硅基板500分為正面硅晶片500c(又稱元件硅晶片Device Wafer)及反面硅晶片500a(又稱挾置硅晶片Handle Wafer)。
一懸浮機械結(jié)構(gòu)501，與正面硅晶片500c表面距離一空氣間隙506。該懸浮機械結(jié)構(gòu)501包含一薄板結(jié)構(gòu)502、四細長支腳504以及四支撐固定區(qū)域505。細長支腳504的一端點與薄板502連接，而細長支腳504的另一端點則連接于該固定區(qū)域505，該固定區(qū)域505是通過一分隔塊514(Spacer)連接且固定于該正面硅晶片500c表面，分隔塊514的厚度即為該空氣間隙506的起始高度。
一第一反射鏡510制作于該薄板結(jié)構(gòu)502中央；一浮動電極503制作于該薄板結(jié)構(gòu)502上，通過細長支腳504連接至固定區(qū)域505而與外界作電性連接。
一固定電極512，制作于正面硅晶片500c表面，其位置位于該浮動電極503正下方。
多個V-型凹槽507、508制作于正面500c硅晶片中，包括位于該第一反射鏡510下方的共振腔V-型凹槽508，以及位于細長支腳504下方的防沾黏(Anti-Sticking)V-型凹槽507，共振腔V-型凹槽508方形平坦底部暴露出位于硅基板500中間的氧化硅絕緣層500b；及一背面V-型凹槽509制作于反面硅晶片500a中，正對準于該第一反射鏡510，背面V-型凹槽509方形平坦底部暴露出位于硅基板500中間的氧化硅絕緣層500b；以及一第二反射鏡511，制作于該背面V-型凹槽509方形平坦底部。
其中，本發(fā)明調(diào)頻光學(xué)濾波器的光學(xué)共振腔，即是由制作于薄板結(jié)構(gòu)502上的第一反射鏡510，以及共振腔V-型凹槽508的方形平坦底部(相連于背面V-型凹槽509的方形平坦底部的第二反射鏡511)，所構(gòu)成的兩平面鏡式的光學(xué)共振腔。
本發(fā)明光學(xué)共振腔的長度是結(jié)合了面型微細加工技術(shù)(多晶硅犧牲層技術(shù))及體型微加工技術(shù)(單晶硅異方性蝕刻)所制作，光學(xué)共振腔的長度為正面硅晶片500c及空氣間隙506兩者厚度和，其通常決定為正面硅晶片500c的厚度，此一厚度可以由商用硅絕緣層硅晶片(SOI)供應(yīng)商得到不同的規(guī)格(0.3～100μm)，因此相當(dāng)具有彈性，通過適當(dāng)500c厚度的選擇，可以得到寬廣的光譜調(diào)變范圍，又可以滿足光解析度的光譜特性。
由浮動電極503及固定電極512的設(shè)計與制作，可以利用電場吸引的方式調(diào)變第一反射鏡510與第二反射鏡511間光學(xué)共振腔長度，浮動電極503及固定電極512之間的空氣間隙506制作是通過犧牲層的制作及后續(xù)的蝕刻動作定義的，因此可以依不同的需求定義不同的空氣間隙506。也由于該間距是由犧牲層厚度所定義，其通常厚度＜3μm，因此僅需要較低的電壓便可以調(diào)變光學(xué)共振腔長度。
防沾黏V-型凹槽507制作于細長支腳504的下方，用以避免細長支腳與底部正面硅晶片500c表面因蝕刻液體所產(chǎn)生表面張力導(dǎo)致的相互沾黏(Sticking)。
除了上述的優(yōu)點外，第一反射鏡510與第二反射鏡511具有絕佳的平行度。而且該調(diào)頻濾波器的特殊微結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其并不受限于基板500效應(yīng)的影響，僅需通過第一反射鏡510與第二反射鏡511材料的選擇，便可以制作適用于本發(fā)明氣體紅外線吸收光譜波段的調(diào)頻濾波器(相同于前述的微型帶通濾波器的設(shè)計理念)。
其中，該固定電極512的制作方式是利用高溫擴散或離子布植的方式在正面硅晶片500c表面完成的雜質(zhì)滲雜。間隔層514材料為多晶硅，該機械結(jié)構(gòu)501是由三層材料所組成的三明治結(jié)構(gòu)，分別為富硅氮化硅(SiliconRich Nitride)、多晶硅及富硅氮化硅。其中富硅氮化硅具有相當(dāng)好的機械剛性及相當(dāng)?shù)偷臒釟堄鄳?yīng)力(請參見Bruce C.S.Chou et al.，F(xiàn)abrication ofLow-Stress Dielectric Thin-Film for Microsensor AppliCations，IEEE ElectronDevice Letters，Vol.18，1997，p.599-601.)，因此最適合作為高品質(zhì)、高穩(wěn)定性的微型機械結(jié)構(gòu)。而位于中間的多晶硅則同時作為機械結(jié)構(gòu)與浮動電極503的導(dǎo)體材料。第一及第二反射鏡510、511為多層介電質(zhì)材料所制作而成的高反射、低損耗反射鏡。多層介電層基本組成單位為一對折射系數(shù)高與折射系數(shù)低的介電材料，其通常為MgF2/TiO2。而其厚度t分別滿足nt＝λ/4，其中n為折射系數(shù)，λ為所調(diào)變光譜的中心波長。
微型熱偵測器熱偵測器(熱阻Bolometer、焦電Pyrometer及熱電Thermopile)的優(yōu)點在于有相當(dāng)寬廣且平坦的光譜反應(yīng)特性(Broad and Flat Spectral Response)，相當(dāng)適合作為光譜的校正，但是缺點為元件的響應(yīng)度(Responsivity，V/W)較差。
隨著1980年代硅微加工技術(shù)的發(fā)展，具有高度絕熱效果(低熱導(dǎo))的懸浮薄板結(jié)構(gòu)(薄板結(jié)構(gòu)可以降低熱容)，使熱電堆元件的響應(yīng)度(responsivity，V/W)和響應(yīng)速率大幅提升。因此，微型熱偵測器的發(fā)展有了更長足的進步。特別是微型熱電堆偵測器，熱電堆元件的優(yōu)點在于其本身不消耗任何功率，因此，可免除任何從電源供應(yīng)所耦合進來的電壓雜訊，此優(yōu)點乃其它電阻型(bolometric)紅外線元件所不及。再者，由于流經(jīng)熱電堆元件本身的電流很小(甚至為0)，因此，由驅(qū)動電流所引發(fā)的材料的低頻雜訊(l/f noise)亦可忽略。在沒有輻射入射時，可將熱電偶的熱接觸區(qū)及冷接觸區(qū)視為等溫，因此，環(huán)境溫度漂移對此種元件的影響，也遠比對電阻型紅外線元件小。所以此種元件適合于攜帶型及室溫操作，并且不需額外的控溫裝置。
請參見圖8a，其是本發(fā)明實施例微型熱電堆偵測器60a的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。而圖8b是為圖8a沿著A-A線所示的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。熱電堆元件60a包含一晶向(100)的硅基板600；及一懸浮薄板601，形成于基板600之上，具有多個的熱電偶603。熱接觸區(qū)604是位于懸浮薄板601的中央部分，而冷接觸區(qū)605是為于懸浮薄板601的周圍部分。
由多個蝕刻窗口606定義，可蝕刻形成懸浮薄板601下方的V-型槽607，以構(gòu)成懸浮薄板601的結(jié)構(gòu)。而懸浮薄板601的最表面則制作一黑體材料602，其通常為非常薄的金屬薄膜，例如金黑(Gold-Black)及白金黑(Platinum-Black)，以增加光輻射的吸收率。
懸浮薄板601包含一第一介電層600a、一第一熱電偶603a、一第二介電層600b、一第二熱電偶603b、一第三介電層600c，其中該第一、二、三介電層600a、600b、600c通常為半導(dǎo)體制程中常見的氧化硅及氮化硅抑或上述兩者的排列組合而成；第一及第二熱電偶603a、603b材料為N型及P型硅半導(dǎo)體所構(gòu)成，抑或一硅半導(dǎo)體與一金屬導(dǎo)體所構(gòu)成。
請參見圖9a，其是本發(fā)明微型熱電堆偵測器另一實施例的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。而圖9b是為圖9a沿著A-A線所示的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖9a及圖9b所示結(jié)構(gòu)與圖8a及圖8b差別僅在于利用背面異方性蝕刻形成該V-型槽607，其余制程及設(shè)計皆相通，在此不贅述。
在實施例的詳細說明中所提出的具體實施例僅用以方便說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，而非將本發(fā)明狹義地限制于上述實施例，在不超出本發(fā)明的精神與申請專利范圍的情況下，所作的種種變化實施，仍屬于本發(fā)明的范圍。
綜上所述，本發(fā)明確實具先進性、實用性，已符合發(fā)明專利申請要件，故依法提出發(fā)明專利申請。
權(quán)利要求
1.一種微型紅外線氣體分析裝置，主要包括有一紅外線發(fā)射單元，其特征是該紅外線發(fā)射單元為利用熱阻絲黑體輻射原理發(fā)射出一寬廣的紅外線光譜的微型紅外線發(fā)射單元，同時還包括以下微型元件一將紅外線發(fā)射單元出射的紅外線變成平行紅外線光束的紅外線準直鏡；一篩選包含至少一待測氣體吸收光譜在內(nèi)的一紅外線波段，并且只允許特定幾何區(qū)域的紅外線光束通過的帶通與空間濾波器；一同一時間僅允許單一待測氣體吸收光譜的窄頻波長通過的調(diào)頻濾波單元；一判別待測氣體的濃度與種類的感測單元；一作為輸出/入界面控制的微電腦控制單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型紅外線氣體分析裝置，其特征是該紅外線發(fā)射單元包括一硅微加工技術(shù)制作的微型熱阻紅外線發(fā)射器；一穩(wěn)定微型熱阻紅外線發(fā)射器溫度的等溫度驅(qū)動電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微型紅外線氣體分析裝置，其特征是該微型熱阻紅外線發(fā)射器包括一晶向為100的硅基板，具有第一及第二表面；一硅異方性蝕刻制作的V-型槽形成于該硅基板的第一或第二表面；一懸浮薄板，形成于該V-型槽上；一熱阻材料，制作于該懸浮薄板中；一黑體材料，制作于懸浮薄板最表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微型紅外線氣體分析裝置，其特征是該熱阻材料為高溫度系數(shù)的硅、白金。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微型紅外線氣體分析裝置，其特征是該黑體材料為金黑及白金黑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型紅外線氣體分析裝置，其特征是該帶通與空間濾波器包括一晶向為100的硅基板，具有第一及第；表面；一帶通光學(xué)薄膜制作于硅基板的第一表面，濾除至少一待測氣體以外的紅外線光譜波段；一具有特定幾何形狀開口的金屬薄膜作為空間濾波器，制作于帶通光學(xué)薄膜上；一硅異方性蝕刻制作的V-型槽，該V-型槽開口形成于硅基板的第二表面，該V-型槽蝕穿硅基板以致V-型槽方形底部暴露出帶通光學(xué)薄膜與金屬薄膜空間濾波器的特定幾何形狀開口。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的微型紅外線氣體分析裝置，其特征是該帶通光學(xué)薄膜是多層介電質(zhì)材料所組成；該多層介電層基本組成單位為一對折射系數(shù)高與折射系數(shù)低的介電材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的微型紅外線氣體分析裝置，其特征是該金屬薄膜空間濾波器材料為Ti/Au或Cr/Au，其中Ti或Cr作為附著層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型紅外線氣體分析裝置，其特征是該調(diào)頻濾波單元包括一硅微加工技術(shù)制作的微型調(diào)頻濾波器，以電場控制改變光學(xué)共振腔的長度以篩選欲偵測氣體的紅外線吸收波長；一提供一直流電壓及一微小的交流電壓的驅(qū)動振蕩電路。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的微型紅外線氣體分析裝置，其特征是該微型調(diào)頻濾波器包括一硅絕緣層硅基板，一氧化硅絕緣層將該硅絕緣層硅基板分為正面與反面兩硅晶片；一懸浮機械結(jié)構(gòu)，該懸浮機械結(jié)構(gòu)包含一薄板結(jié)構(gòu)及至少一細長支腳，該至少一細長支腳的第一端點是與薄板結(jié)構(gòu)連接，該至少一細長支腳的第二端點則連接于至少一固定區(qū)域；至少一分隔塊，連接該至少一固定區(qū)域與其正面硅晶片；一空氣間隙，形成于該懸浮機械結(jié)構(gòu)與正面硅晶片表面間，該空氣間隙的起始距離是由至少一分隔塊的高度決定；一第一反射鏡制作于薄板結(jié)構(gòu)中央；一浮動電極制作于薄板結(jié)構(gòu)上，該浮動電極是通過至少一細長支腳及至少一固定區(qū)域與外界作電性連接；一固定電極，制作于正面硅晶片表面，位于浮動電極正下方，與該浮動電極距離該空氣間隙；一共振腔V-型凹槽制作于正面硅晶片中，位于第一反射鏡正下方，該共振腔V-型凹槽方形平坦底部暴露出位于硅絕緣層硅基板中間的氧化硅絕緣層；至少一防沾黏V-型凹槽，制作于正面硅晶片中，位于該至少一細長支腳正下方；一背面凹槽，制作于反面硅晶片中，正對準于第一反射鏡，該背面凹槽平坦底部暴露出位于硅絕緣層硅基板中間的氧化硅絕緣層；一第二反射鏡，制作于背面凹槽平坦底部上。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的微型紅外線氣體分析裝置，其特征是該懸浮機械結(jié)構(gòu)材料依序為富硅氮化硅、多晶硅及富硅氮化硅所組成的三明治結(jié)構(gòu)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的微型紅外線氣體分析裝置，其特征是該浮動電極材料為多晶硅。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的微型紅外線氣體分析裝置，其特征是該分隔塊材料為多晶硅或非晶硅。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的微型紅外線氣體分析裝置，其特征是該第一及第二反射鏡，是由多對高折射系數(shù)/低折射系數(shù)介電材料所制作的高反射率反射鏡。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的微型紅外線氣體分析裝置，其特征是該感測單元包括一硅微加工技術(shù)制作的微型熱偵測器；一鎖相讀取電路，將微型熱偵測器輸出的電交流訊號與該驅(qū)動振蕩電路的調(diào)制頻率作比對。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的微型紅外線氣體分析裝置，其特征是該微型熱偵測器包括一晶向為100的硅基板，具有第一及第二表面；一硅異方性蝕刻制作的V-型槽形成于硅基板的第一或第二表面；一懸浮薄板，形成于V-型槽上；至少一熱電偶，制作于懸浮薄板中，該至少一熱電偶的熱接觸區(qū)位于懸浮薄板的中央部分，該至少一熱電偶的冷接觸區(qū)位于V-型槽邊緣的硅基板上；一黑體材料，制作于懸浮薄板表面。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的微型紅外線氣體分析裝置，其特征是該熱電偶，包含第一及第二熱電偶材料，該第一及第二熱電偶材料為N型及P型硅半導(dǎo)體構(gòu)成，抑或一硅半導(dǎo)體與一金屬導(dǎo)體構(gòu)成。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的微型紅外線氣體分析裝置，其特征是該黑體材料為金黑或白金黑。
全文摘要
一種微型紅外線氣體分析裝置，主要包括有一紅外線發(fā)射單元，其特征是該紅外線發(fā)射單元為微型紅外線發(fā)射單元；還包括以下微型元件一紅外線準直鏡，將該紅外線發(fā)射單元出射的紅外線變成平行紅外線光束；一帶通與空間濾波器，篩選包含至少一待測氣體吸收光譜在內(nèi)的一紅外線波段，并且只允許特定幾何區(qū)域的紅外線光束通過；一調(diào)頻濾波單元，同一時間僅允許單一待測氣體吸收光譜的窄頻波長通過；一感測單元，根據(jù)該入射窄頻波長強度判別待測氣體的濃度與種類；一微電腦控制單元為輸出/入界面；以上基于硅微加工技術(shù)制造的各種微型元件，以符合低功率消耗與低成本的要求，應(yīng)用于各種氣體紅外線吸收光譜的定性及定量分析，而具實用性。
文檔編號G01N21/35GK1464298SQ0212235
公開日2003年12月31日 申請日期2002年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月14日
發(fā)明者周正三 申請人:祥群科技股份有限公司