技术领域
[0001] 本
发明涉及气体探测器技术领域，尤其涉及一种NDIR红外
气体传感器。
背景技术
[0002] 在气体探测器领域，主要有
半导体气体传感器、电化学型气体传感器、固体
电解质气体传感器、
接触燃烧式气体传感器、光学式气体传感器等，而NDIR（Non-Dispersive InfraRed，非分散红外技术）红外气体传感器因不同气体的红外吸收峰不同，通过测量红外吸收前后
能量变化来检测气体体积分数，其具有灵敏度高、可靠性好、选择性好等诸多优点。
[0003] 完整的NDIR气体
传感器系统由红外
光源、红外探测器、滤波片、读出
电路以及光学结构几部分。传统的红外气体传感器多采用价格昂贵、体积庞大的分立器件组装构成并且通常需要在测量时进行手动选择或组装。如采用机械斩波器和复杂光学组件作为光源
调制器和分光设备、白炽光源作为红外光源、InSb或者
薄膜电容微音器等作为传感器等。因此，大多传统的红外气体传感器存在体积庞大，功耗大，
稳定性差，成本高昂等不足，因而传统类型的NDIR气体传感器已经很难满足小型化、低成本、广泛应用等需求了。随着传感器及
电子技术的发展，NDIR传感器系统已向小型化、智能化方向发展。
[0004] 在红外吸收式气体传感器技术研究方面，国外发达国家起步较早。70年代，日本Tohoku大学的H.Inaba和K.Chan等人最早用
光谱吸收光纤传感器技术进行气体浓度测试研究。80年代初，法国研制出了LEL-5610防爆型红外二
氧化
碳检测仪，可用于爆炸环境CO2气体的检测。该检测仪采用敞开式气室，直接接触待测气体，以期能够满足井下恶劣环境的要求，可与检测系统连接，可用于矿井环境中CO2气体进行检测。
[0005] 90年代，以英国Dynament公司开始生产的Premier系列气体传感器为代表，欧美各国在NDIR红外气体传感技术方面快速发展，取得较大突破。国际市场上出现了多种基于NDIR型的红外气体传感器产品。随着环境变化以及工业生产的需要，NDIR型红外气体传感器向小型化、高
精度、高
分辨率、低功耗等方向发展。2012年，英国GSS公司研制出了功耗仅为3.5mW的NDIR型红外CO2气体传感器。并采用了革新性的红外固态技术，很大程度的提高NDIR型气体传感器性能。
[0006] 如今，很多发达国家已研制出基于NDIR原理的红外气体传感器，包括NDIR式CO2气体传感器，在CO2检测方面起到了很大的推动作用，并且国外已有成熟的NDIR型CO2气体检测产品和相关设备出售。美国、英国、日本、德国等国家在NDIR气体传感器研制领域处于世界领先地位。尽管美、英、日、德等发达国家研制生产了大量的NDIR气体传感器，但多数尺寸较大，难以广泛应用。
[0007] 国内红外吸收式CO2传感器研究起步比较晚，目前国内主要生产和使用固体
电解质式、电导变化型厚膜式、
钛酸钡复合氧化物电容式等，这几类传感器存在较多不足之处，如气体选择性差、系统校准周期短、寿命短等。
[0008] 经调查发现，虽然在该NIDR气体探测器领域小型化取得了很大的进展，但仍然是通过分立元器件的组合而成，体积相对较大。
[0009] 因此，如何减小传感器的体积、满足元器件不断小型化的需求成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
[0010] 本发明提供了一种NDIR红外气体传感器，解决相关技术中存在的传感器体积相对较大的问题。
[0011] 作为本发明的一个方面，提供一种NDIR红外气体传感器，其中，包括：封装结构，所述封装结构上依次设置有红外光源与红外探测器、滤波片、气室和光腔，所述封装结构、红外光源与红外探测器、滤波片、气室和光腔之间均通过键合方式连接；所述光腔设置有第一金属反射层，所述气室与所述光腔连接的表面设置第二金属反射层；
所述气室与所述滤波片的接触面均间隔设置入射窗口和出射窗口，所述滤波片和所述红外光源与红外探测器连接的表面间隔设置薄膜和透镜，且所述薄膜与所述入射窗口
位置对应，所述透镜与所述出射窗口位置对应，所述红外光源与所述红外探测器和所述封装结构连接的表面间隔设置红外光源和红外
热电堆芯片，且所述红外光源与所述薄膜位置对应，所述红外热电
堆芯片与所述透镜位置对应；
所述红外光源发出的光线经过所述薄膜、入射窗口、第二金属反射层、第一金属反射层、出射窗口、透镜后到达所述红外热电堆芯片。
[0012] 进一步地，所述光腔包括第一衬底，所述第一金属反射层设置在所述第一衬底上，且所述第一金属反射层在所述第一衬底内形成第一凹槽结构，且所述第一衬底朝向所述气室的表面设置有所述第一凹槽结构的边缘延伸部，所述边缘延伸部与所述第二金属反射层接触。
[0013] 进一步地，所述第一凹槽结构包括底壁和与所述底壁连接的
侧壁，所述底壁和所述侧壁呈钝
角设置，所述边缘延伸部为所述侧壁的延伸。
[0014] 进一步地，所述气室包括第二衬底，所述第二金属反射层设置在所述第二衬底朝向所述光腔的表面，所述第二金属反射层与所述边缘延伸部对应设置，且所述气室和所述光腔通过所述第二金属反射层与所述边缘延伸部键合连接。
[0015] 进一步地，所述第二衬底朝向所述滤波片的表面设置第一金属键合层，所述第一金属键合层上间隔设置第一入射窗口和第一出射窗口。
[0016] 进一步地，所述滤波片包括第三衬底，所述第三衬底朝向所述气室的表面设置第二金属键合层，所述第二金属键合层上间隔设置第二入射窗口和第二出射窗口，且所述第二入射窗口与所述第一入射窗口位置对应，所述第二出射窗口与所述第一出射窗口位置对应，所述滤波片和所述气室通过所述第二金属键合层和所述第一金属键合层键合连接；所述第三衬底朝向所述红外光源与红外探测器的表面设置第三金属键合层，所述第三金属键合层上间隔设置薄膜和透镜，所述薄膜与所述第二入射窗口位置对应，所述透镜与所述第二出射窗口对应。
[0017] 进一步地，所述红外光源与红外探测器包括第四衬底，所述第四衬底上间隔设置第二凹槽结构和第三凹槽结构，所述第二凹槽结构的开口朝向与所述薄膜位置对应，所述第三凹槽结构的开口朝向与所述透镜位置对应，所述第四衬底朝向所述滤波片的表面设置第四金属键合层，所述红外光源与红外探测器与所述滤波片通过第四金属键合层和所述第三金属键合层键合连接；所述第四衬底朝向所述封装结构的表面设置介质层，所述介质层上间隔设置所述红外光源和所述红外热电堆芯片，所述红外光源与所述第二凹槽结构位置对应，所述红外热电堆芯片与所述第三凹槽结构对应；
所述介质层朝向所述封装结构的表面设置第五金属键合层，且所述第五金属键合层与所述红外光源的对应位置设置第一窗口，与所述红外热电堆芯片对应位置设置第二窗口。
[0018] 进一步地，所述封装结构包括第五衬底，所述第五衬底上设置第四凹槽结构和第五凹槽结构，所述第四凹槽结构的开口朝向与所述第一窗口位置对应，所述第五凹槽结构的开口朝向与所述第二窗口位置对应，所述第五衬底朝向所述红外光源与红外探测器的表面设置第六金属键合层，所述封装结构与所述红外光源与红外探测器通过第六金属键合层与所述第五金属键合层键合连接。
[0019] 进一步地，所述第五衬底在所述第四凹槽结构背离所述第五凹槽结构的一侧设置第一通孔，在所述第五凹槽结构背离所述第四凹槽结构的一侧设置第二通孔，所述第一通孔和所述第二通孔内均填充与所述第六金属键合层相同的金属，且所述第五衬底背离所述红外光源与红外探测器的表面设置第七金属键合层，所述第七金属键合层的设置位置分别与所述第一通孔和所述第二通孔对应。
[0020] 进一步地，所述第一金属反射层和所述第二金属反射层的制作材料均包括Au、Ag和Al中的任意一种；所述第一金属键合层、第二金属键合层、第三金属键合层、第四金属键合层、第五金属键合层、第六金属键合层和第七金属键合层的制作材料均包括Au、Cu和Al中的任意一种。
[0021] 通过上述NDIR红外气体传感器，在光腔和气室上均设置金属反射层，可以使得光线经过不断反射延长光程，从而为实现NDIR红外气体传感器的体积减小提供了保障，因此可以利用金属反射层延长光程的方式减小体积，本发明
实施例提供的这种NDIR红外气体传感器与
现有技术中的NDIR红外气体传感器相比，其光程并未减小，但是体积减小了，因此本发明实施例提供的NDIR红外气体传感器与现有技术相比具有体积小的优势，进而能够满足元器件不断小型化的需求。
附图说明
[0022] 附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成
说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：图1为本发明提供的NDIR红外气体传感器的结构示意图。
[0023] 图2为本发明提供的光腔的结构示意图。
[0024] 图3为本发明提供的气室的结构示意图。
[0025] 图4为本发明提供的滤波片的结构示意图。
[0026] 图5为本发明提供的红外光源与红外探测器的结构示意图。
[0027] 图6为本发明提供的封装结构的结构示意图。
具体实施方式
[0028] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0029] 为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0030] 需要说明的是，本发明的说明书和
权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何
变形，意图在于
覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0031] 在本实施例中提供了一种NDIR红外气体传感器，图1是根据本发明实施例提供的NDIR红外气体传感器的结构示意图，如图1所示，包括：封装结构500，所述封装结构500上依次设置有红外光源与红外探测器300、滤波片400、气室200和光腔100，所述封装结构500、红外光源与红外探测器300、滤波片400、气室200和光腔100之间均通过键合方式连接；所述光腔100设置有第一金属反射层102，所述气室200与所述光腔100连接的表面设置第二金属反射层202；
所述气室200与所述滤波片400的接触面均间隔设置入射窗口203和出射窗口204，所述滤波片400和所述红外光源与红外探测器300连接的表面间隔设置透镜403和薄膜404，且所述薄膜404与所述入射窗口203位置对应，所述透镜403与所述出射窗口204位置对应，所述红外光源与所述红外探测器300和所述封装结构500连接的表面间隔设置红外光源700和红外热电堆芯片800，且所述红外光源700与所述薄膜404位置对应，所述红外热电堆芯片800与所述透镜403位置对应；
所述红外光源700发出的光线经过所述薄膜404、入射窗口203、第二金属反射层202、第一金属反射层102、出射窗口204、透镜403后到达所述红外热电堆芯片800。
[0032] 通过上述NDIR红外气体传感器，在光腔和气室上均设置金属反射层，可以使得光线经过不断反射延长光程，从而为实现NDIR红外气体传感器的体积减小提供了保障，因此可以利用金属反射层延长光程的方式减小体积，本发明实施例提供的这种NDIR红外气体传感器与现有技术中的NDIR红外气体传感器相比，其光程并未减小，但是体积减小了，因此本发明实施例提供的NDIR红外气体传感器与现有技术相比具有体积小的优势，进而能够满足元器件不断小型化的需求。
[0033] 应当理解的是，所述NDIR红外气体传感器中的各层级结构主要通过金属-金属，金属-
硅或硅-硅键合工艺集成在一起。其中各层中的硅槽均通过半导体工艺中的湿法
腐蚀，利用晶面111形成特定的角度，利用光窗的大小和位置来调整光强度。
[0034] 还应当理解的是，待探测气体进入气室后，被所述红外光源700发出的光线经过所述薄膜404、入射窗口203、第二金属反射层202、第一金属反射层102、出射窗口204、透镜403后到达所述红外热电堆芯片800这一过程检测到，红外热电堆芯片800将气体的检测结果发给上位机进行分析，得到待测气体的浓度数据。
[0035] 具体地，如图2所示，所述光腔100包括第一衬底101，所述第一金属反射层102设置在所述第一衬底101上，且所述第一金属反射层102在所述第一衬底101内形成第一凹槽结构103，且所述第一衬底101朝向所述气室200的表面设置有所述第一凹槽结构103的边缘延伸部104，所述边缘延伸部104与所述第二金属反射层202接触。
[0036] 具体地，所述第一凹槽结构103包括底壁和与所述底壁连接的侧壁，所述底壁和所述侧壁呈钝角设置，所述边缘延伸部104为所述侧壁的延伸。
[0037] 需要说明的是，所述光腔100主要由所述第一衬底101和第一金属反射层102组成，其中的第一凹槽结构103通过半导体工艺中的湿法腐蚀而成，第一衬底通常为硅材料，第一金属反射层102通常为Au，Ag或Al等反射材料。
[0038] 还需要说明的是，所述光腔中的所述第一凹槽结构103主要利用半导体工艺中的KOH、TMHA等湿法腐蚀工艺制作，利用硅
晶圆在晶面111方向的
各向异性腐蚀形成侧壁角度54度的槽，从而调整入射光线的角度，实现在上下两个金属面之间的不断反射，延长光程。
[0039] 需要说明的是，所述侧壁角度指的是槽侧壁与
水平方向的夹角，如图1所示，角度a即为侧壁角度。
[0040] 具体地，如图3所示，所述气室200包括第二衬底201，所述第二金属反射层202设置在所述第二衬底201朝向所述光腔100的表面，所述第二金属反射层202与所述边缘延伸部104对应设置，且所述气室200和所述光腔100通过所述第二金属反射层202与所述边缘延伸部104键合连接。
[0041] 具体地，所述第二衬底201朝向所述滤波片400的表面设置第一金属键合层205，所述第一金属键合层205上间隔设置第一入射窗口203和第一出射窗口204。
[0042] 需要说明的是，所述第二衬底201通常为硅或玻璃，沿横向刻有
深槽，槽的深度为衬底材料厚度，用于气体通过，所述第二金属反射层202通常为Au，Ag，Al等高反射材料，窗口203为入射窗口，窗口204为出射窗口，这两个窗口的位置及开口大小用于调整入射和出射光线的角度，从而调整光强度。
[0043] 具体地，如图4所示，所述滤波片400包括第三衬底401，所述第三衬底401朝向所述气室200的表面设置第二金属键合层402，所述第二金属键合层402上间隔设置第二入射窗口405和第二出射窗口406，且所述第二入射窗口405与所述第一入射窗口203位置对应，所述第二出射窗口406与所述第一出射窗口204位置对应，所述滤波片400和所述气室200通过所述第二金属键合层402和所述第一金属键合层键合205连接；所述第三衬底401朝向所述红外光源与红外探测器300的表面设置第三金属键合层
407，所述第三金属键合层407上间隔设置薄膜404和透镜403，所述薄膜404与所述第二入射窗口405位置对应，所述透镜403与所述第二出射窗口406对应。
[0044] 需要说明的是，所述第三衬底401通常为硅或锗材料，这两种材料对红外光的透过率非常高，第二金属键合层402为键合用金属材料，通常为Au，Cu，Al等，所述透镜403通常为菲涅尔透镜，通过常规的半导体加工工艺制造而成。所述薄膜404为选择性透过膜，通常是几种不同材料的组合。
[0045] 应当理解的是，滤波片中的窗口，其大小和位置可在一个较大的范围内调整，用于控制入射光的入射角度，从而调整光线在光腔中的光程和入射光强度。
[0046] 具体地，如图5所示，所述红外光源与红外探测器300包括第四衬底301，所述第四衬底301上间隔设置第二凹槽结构304和第三凹槽结构305，所述第二凹槽结构304的开口朝向与所述薄膜404位置对应，所述第三凹槽结构305的开口朝向与所述透镜403位置对应，所述第四衬底301朝向所述滤波片400的表面设置第四金属键合层303，所述红外光源与红外探测器300与所述滤波片400通过第四金属键合层303和所述第三金属键合层407键合连接；所述第四衬底301朝向所述封装结构500的表面设置介质层302，所述介质层302上间隔设置所述红外光源700和所述红外热电堆芯片800，所述红外光源700与所述第二凹槽结构
304位置对应，所述红外热电堆芯片800与所述第三凹槽结构305对应；
所述介质层302朝向所述封装结构500的表面设置第五金属键合层306，且所述第五金属键合层306与所述红外光源700的对应位置设置第一窗口307，与所述红外热电堆芯片800对应位置设置第二窗口308。
[0047] 需要说明的是，所述红外光源与红外探测器300为集成MEMS红外光源700和MEMS红外热电堆芯片800的结构，两种器件采用与CMOS兼容的工艺技术制作，同时用于气体传感器的读出电路也可制作在该晶圆上。
[0048] 制造MEMS光源和MEMS红外探测器的晶圆，其背面空腔的腐蚀采用半导体工艺中的KOH，TMHA等湿法腐蚀工艺，利用硅晶圆600在晶面111方向的各向异性腐蚀形成侧壁角度54度的槽，从而形成反射面，提高MEMS红外光源的聚光性，从而提高入射光能量。
[0049] 具体地，如图6所示，所述封装结构500包括第五衬底501，所述第五衬底501上设置第四凹槽结构505和第五凹槽结构506，所述第四凹槽结构505的开口朝向与所述第一窗口307位置对应，所述第五凹槽结构506的开口朝向与所述第二窗口308位置对应，所述第五衬底501朝向所述红外光源与红外探测器300的表面设置第六金属键合层502，所述封装结构
500与所述红外光源与红外探测器300通过第六金属键合层502与所述第五金属键合层306键合连接。
[0050] 具体地，所述第五衬底501在所述第四凹槽结构505背离所述第五凹槽结构506的一侧设置第一通孔504，在所述第五凹槽结构506背离所述第四凹槽结构505的一侧设置第二通孔506，所述第一通孔505和所述第二通孔506内均填充与所述第六金属键合层502相同的金属，且所述第五衬底501背离所述红外光源与红外探测器300的表面设置第七金属键合层507，所述第七金属键合层507的设置位置分别与所述第一通孔504和所述第二通孔503对应。
[0051] 需要说明的是，所述封装结构500主要用于完成用于贴片式封装的引线重布，第五衬底501通常为硅，其中的硅槽通常半导体工艺中的硅槽腐蚀工艺制作，第六金属键合层502通常为Au或Cu，或Al，用于键合和引线重布，第一通孔504和第二通孔503由半导体工艺中的硅深
刻蚀工艺完成，并填充金属材料。
[0052] 封装结构500的衬底中的空腔腐蚀采用半导体工艺中的KOH，TMHA等湿法腐蚀工艺，利用硅晶圆600在晶面111方向的各向异性腐蚀形成侧壁角度54度的槽，从而形成反射面，提高MEMS红外光源的聚光性，从而提高入射光能量。
[0053] 具体地，所述第一金属反射层和所述第二金属反射层的制作材料均包括Au、Ag和Al中的任意一种；所述第一金属键合层、第二金属键合层、第三金属键合层、第四金属键合层、第五金属键合层、第六金属键合层和第七金属键合层的制作材料均包括Au、Cu和Al中的任意一种。
[0054] 可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
