專(zhuān)利名稱(chēng)：基于濾波結(jié)構(gòu)分光的紅外光譜式memes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，尤其涉及一種基于濾波結(jié)構(gòu)分光的紅外光譜式 MEMES氣敏傳感器。
背景技術(shù)：
氣敏傳感器是制藥、化工、食品、海關(guān)、煤礦、醫(yī)學(xué)檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)控等多領(lǐng)域里不可 缺少的工具，而傳統(tǒng)的氣敏傳感器體積大功耗高，靈敏度低且性能一致性較差，使用不便， 難于推廣；基于MEMS的氣敏傳感器，體積小功耗低、性能一致性好且使用方便。但是基于敏 感膜類(lèi)的MEMS氣敏傳感器大多利用敏感膜與目標(biāo)氣體發(fā)生選擇性吸附后引起敏感膜電阻 電容等電參量或者振動(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(lèi)傳感器所能檢測(cè)的 氣體種類(lèi)，受敏感膜材料性能的影響很大。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(lèi)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。在獲得光譜 時(shí)，它們大多利用光柵掃描分光，或諧振選頻分光，可動(dòng)結(jié)構(gòu)加工困難，難以實(shí)現(xiàn)微型化。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題為了解決現(xiàn)有氣敏傳感器靈敏度低、抗干擾能力弱、加工困難、難以小型化等問(wèn) 題，本發(fā)明提供了一種基于濾波結(jié)構(gòu)分光的紅外光譜式MEMES氣敏傳感器，以滿(mǎn)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)明提供了一種基于濾波結(jié)構(gòu)分光的紅外光譜式MEMES氣敏 傳感器，通過(guò)分析氣體的紅外吸收譜，確定氣體的成分和濃度，該氣敏傳感器由集成在硅襯 底上的紅外光源1、分析氣室2、光子晶體濾波器3和紅外光強(qiáng)檢測(cè)陣列4構(gòu)成。上述方案中，所述紅外光源1為熱輻射光源，為該氣敏傳感器提供寬譜輻射能量。上述方案中，所述分析氣室2為硅襯底上刻蝕出的盒狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與待測(cè)環(huán)境 相通，其內(nèi)氣體為傳感器的分析對(duì)象。上述方案中，所述光子晶體濾波器3為硅襯底上刻蝕出的二維孔洞結(jié)構(gòu)。上述方案中，所述光子晶體濾波器3由不同參數(shù)的光子晶體帶阻濾波器并行排布 組成，各帶阻濾波器的有效濾波波段相鄰而不重復(fù)。上述方案中，所述紅外光強(qiáng)檢測(cè)陣列4為InGaAs光電二極管線(xiàn)型陣列，各二極管 均工作在反偏狀態(tài)，并將入射其上的光強(qiáng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。上述方案中，所述光子晶體濾波器3不同通道的輸出端對(duì)應(yīng)紅外光強(qiáng)檢測(cè)陣列4 上不同的二極管。上述方案中，所述紅外光源1發(fā)出的紅外光穿過(guò)分析氣室2后，經(jīng)光子晶體濾波器3不同的通道出射；光子晶體濾波器3各通道出射的紅外光在相應(yīng)的二極管上成像，且其光強(qiáng)由二極 管轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出至信號(hào)處理電路；二極管上得到的電信號(hào)代表濾除相應(yīng)波長(zhǎng)的紅外光后的強(qiáng)度，而不同二極管輸出 信號(hào)之差體現(xiàn)了透過(guò)氣室后的紅外光中不同波長(zhǎng)的強(qiáng)度之差；紅外光強(qiáng)檢測(cè)陣列4得到的信號(hào)為分析氣室內(nèi)氣體透射譜的反相信息；將紅外光強(qiáng)檢測(cè)陣列4上采樣到的信號(hào)與預(yù)存的校正模型進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出待測(cè) 氣體的紅外透射譜，透射譜的吸收峰位置體現(xiàn)了氣體種類(lèi)，透射譜的吸收強(qiáng)度則體現(xiàn)了氣 體濃度。(三)有益效果從以上技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明有以下有益效果(1)本發(fā)明提供的基于濾波結(jié)構(gòu)分光的紅外光譜式MEMES氣敏傳感器，通過(guò)分析 氣體的紅外投射光譜信息，確定氣體的成分和含量，克服了敏感膜類(lèi)MEMS氣敏傳感器抗干 擾能力低、選擇性差、檢測(cè)氣體種類(lèi)有限等困難，具有靈敏度高、重復(fù)性好、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。(2)本發(fā)明提供的基于濾波結(jié)構(gòu)分光的紅外光譜式MEMS氣敏傳感器，采用多組光 子晶體帶阻濾波器檢測(cè)氣體透射譜的反相信息，結(jié)合化學(xué)計(jì)量方法，利用校正模型，計(jì)算出 光譜分析的結(jié)果，利用特征峰的位置判別氣體種類(lèi)，利用吸光度的變化確定氣體濃度。(3)本發(fā)明提供的基于濾波結(jié)構(gòu)分光的紅外光譜式MEMS氣敏傳感器，可對(duì)較寬的 波段進(jìn)行分析，譜線(xiàn)分辨率即為濾波器的帶寬，可通過(guò)光子晶體的參數(shù)靈活調(diào)整，有效改善 現(xiàn)有微型光譜儀分辨率低的問(wèn)題，且本傳感器無(wú)可動(dòng)結(jié)構(gòu)，性能穩(wěn)定，相對(duì)于已有的微型光 譜儀類(lèi)MEMS器件，更易批量制作。(4)本發(fā)明提供的基于濾波結(jié)構(gòu)分光的紅外光譜是MEMS氣敏傳感器，與CMOS技術(shù) 兼容，借助成熟的微電子工藝，可實(shí)現(xiàn)敏感單元和數(shù)據(jù)處理模塊的片上集成，具備小型化、 智能化的特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明提供的基于濾波結(jié)構(gòu)分光的紅外光譜是MEMS氣敏傳感器平面結(jié)構(gòu) 示意圖；圖2為本發(fā)明提供的基于濾波結(jié)構(gòu)分光的紅外光譜是MEMS氣敏傳感器光子晶體 濾波器平面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明提供的基于濾波結(jié)構(gòu)分光的紅外光譜是MEMS氣敏傳感器光子晶體 濾波器其中的一組針對(duì)某特定波段設(shè)計(jì)的濾波單元示意圖；圖4為本發(fā)明提供的基于濾波結(jié)構(gòu)分光的紅外光譜式MEMS氣敏傳感器氣室內(nèi)紅 外檢測(cè)陣列中某像元的工作原理示意圖。圖中，紅外光源1、分析氣室2、光子晶體濾波器3、紅外光強(qiáng)檢測(cè)陣列4、光子晶體 帶阻濾波器301。
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)境氣體中三氯甲烷(氯仿)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)明提供的基于濾波結(jié)構(gòu)分光的的紅外光譜式MEMS氣敏傳 感器平面結(jié)構(gòu)示意圖。該傳感器利用氣體的紅外透射信息進(jìn)行氣體檢測(cè)，通過(guò)特征峰的位 置判斷氣體種類(lèi)，并通過(guò)特征波長(zhǎng)的吸光度確定氣體含量，有效解決現(xiàn)有氣敏傳感器靈敏 度低、檢測(cè)氣體種類(lèi)有限、抗干擾能力低的問(wèn)題。且本傳感器的制作與CMOS工藝兼容，便于 集成、可降低成本并推廣使用。該傳感器主要由紅外光源1、分析氣室2、光子晶體濾波器3和紅外光強(qiáng)檢測(cè)陣列4 構(gòu)成。紅外光源1為集成在硅片上的熱輻射光源，該光源由空槽上方的工字形浮空單晶硅 電阻條構(gòu)成。該電阻通以電流后溫度升高，并向外輻射紅外能量?？刂齐娮璧墓β剩傻玫?穩(wěn)定寬譜的紅外輻射。如圖2所示，光子晶體濾波器3，由并行排布的一系列光子晶體帶阻濾波器構(gòu)成， 且各路波導(dǎo)均為窄帶濾波器。如圖3所示，窄帶濾波器采用在硅襯底上刻蝕二維周期孔洞陣列的方法制作，利 用光子晶體的光子帶隙特性實(shí)現(xiàn)濾波功能，氣孔的直徑和氣孔的間距均與工作波段有比例 關(guān)系。光源發(fā)出的紅外光進(jìn)入分析氣室2后，與其內(nèi)的待測(cè)氣體相互作用，穿過(guò)分析氣 室2后，進(jìn)入光子晶體濾波器3不同通道的入射端，出射光在測(cè)量氣室紅外檢測(cè)陣列4的各 成像單元上成像。各成像單元如圖4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。不同成像單元上的信號(hào)強(qiáng)度之差代表了透過(guò)氣室的紅外光中不同波段的紅外光 光強(qiáng)之差，經(jīng)計(jì)算可得透射光的光譜信息。將測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)得到的結(jié)果與預(yù)存校正模型進(jìn)行對(duì) 比，可發(fā)現(xiàn)與三氯甲烷的特征峰相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為2374. 7nm、1861. 9nm、1695. 8nm、1412. 4nm、 1152. 9nm的紅外光光強(qiáng)發(fā)生了明顯的衰減，且三氯甲烷濃度越高，上述特征波長(zhǎng)紅外光衰 減量越大。檢測(cè)衰減的強(qiáng)度，便知測(cè)量氣室內(nèi)三氯甲烷的濃度。以上所述的具體實(shí)施例，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)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、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
一種基于濾波結(jié)構(gòu)分光的紅外光譜式MEMES氣敏傳感器，通過(guò)分析氣體的紅外吸收譜，確定氣體的成分和濃度，其特征在于，該氣敏傳感器由集成在硅襯底上的紅外光源(1)、分析氣室(2)、光子晶體濾波器(3)和紅外光強(qiáng)檢測(cè)陣列(4)構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于濾波結(jié)構(gòu)分光的紅外光譜式MEMES氣敏傳感器，其特征 在于，所述紅外光源(1)為熱輻射光源，為該氣敏傳感器提供寬譜輻射能量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于濾波結(jié)構(gòu)分光的紅外光譜式MEMES氣敏傳感器，其特征 在于，所述分析氣室(2)為硅襯底上刻蝕出的盒狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與待測(cè)環(huán)境相通，其內(nèi)氣體 為傳感器的分析對(duì)象。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于濾波結(jié)構(gòu)分光的紅外光譜式MEMES氣敏傳感器，其特征 在于，所述光子晶體濾波器(3)為硅襯底上刻蝕出的二維孔洞結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于濾波結(jié)構(gòu)分光的紅外光譜式MEMES氣敏傳感器，其特征 在于，所述光子晶體濾波器(3)由不同參數(shù)的光子晶體帶阻濾波器并行排布組成，各帶阻 濾波器的有效濾波波段相鄰而不重復(fù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于濾波結(jié)構(gòu)分光的紅外光譜式MEMES氣敏傳感器，其特征 在于，所述紅外光強(qiáng)檢測(cè)陣列(4)為InGaAs光電二極管線(xiàn)型陣列，各二極管均工作在反偏 狀態(tài)，并將入射其上的光強(qiáng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于濾波結(jié)構(gòu)分光的紅外光譜式MEMES氣敏傳感器，其特征 在于，所述光子晶體濾波器(3)不同通道的輸出端對(duì)應(yīng)紅外光強(qiáng)檢測(cè)陣列(4)上不同的二 極管。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于濾波結(jié)構(gòu)分光的紅外光譜式MEMES氣敏傳感器，其特征 在于，所述紅外光源(1)發(fā)出的紅外光穿過(guò)分析氣室(2)后，經(jīng)光子晶體濾波器(3)不同的 通道出射；光子晶體濾波器(3)各通道出射的紅外光在相應(yīng)的二極管上成像，且其光強(qiáng)由二極管 轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出至信號(hào)處理電路；二極管上得到的電信號(hào)代表濾除相應(yīng)波長(zhǎng)的紅外光后的強(qiáng)度，而不同二極管輸出信號(hào) 之差體現(xiàn)了透過(guò)氣室后的紅外光中不同波長(zhǎng)的強(qiáng)度之差；紅外光強(qiáng)檢測(cè)陣列(4)得到的信號(hào)為分析氣室內(nèi)氣體透射譜的反相信息；將紅外光強(qiáng)檢測(cè)陣列(4)上采樣到的信號(hào)與預(yù)存的校正模型進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出待測(cè)氣 體的紅外透射譜，透射譜的吸收峰位置體現(xiàn)了氣體種類(lèi)，透射譜的吸收強(qiáng)度則體現(xiàn)了氣體 濃度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于濾波結(jié)構(gòu)分光的紅外光譜式MEMES氣敏傳感器，通過(guò)分析氣體的紅外吸收譜，確定氣體的成分和濃度，該氣敏傳感器由集成在硅襯底上的紅外光源(1)、分析氣室(2)、光子晶體濾波器(3)和紅外光強(qiáng)檢測(cè)陣列(4)構(gòu)成。該傳感器利用氣體的紅外透射信息進(jìn)行氣體檢測(cè)，通過(guò)特征峰的位置判斷氣體種類(lèi)，并通過(guò)特征波長(zhǎng)的吸光度確定氣體含量，有效解決現(xiàn)有氣敏傳感器靈敏度低、檢測(cè)氣體種類(lèi)有限、抗干擾能力低的問(wèn)題。且本傳感器的制作與CMOS工藝兼容，便于集成、可降低成本并推廣使用。
文檔編號(hào)G01N21/35GK101923052SQ20091008734
公開(kāi)日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2009年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月17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