本發(fā)明主要涉及氣體濃度測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特指一種光學(xué)氣體傳感器芯體、傳感器及芯體制備方法。

背景技術(shù)：

氣體傳感器在航天、航空、石油、化工、醫(yī)療等領(lǐng)域有關(guān)廣泛的應(yīng)用。氣體傳感器按氣敏特性來分類，主要可分為催化燃燒式、電化學(xué)、紅外光學(xué)式以及熱導(dǎo)式。其中紅外光學(xué)式氣體傳感器具有測(cè)量精度高、可靠性高、測(cè)量范圍廣和壽命長等優(yōu)勢(shì)，成為目前的研究熱點(diǎn)之一。

紅外氣體傳感器的檢測(cè)原理是基于朗伯比爾定律(Lambert-Beer)，當(dāng)紅外光通過待測(cè)氣體時(shí)，不同的氣體分子吸收特定波長的紅外光。當(dāng)光強(qiáng)為I₀，波長為λ的光束入射到氣室中，氣室中的樣品在λ處有吸收線或者吸收帶，氣室出射光的光強(qiáng)則為I。

由介質(zhì)的吸收性質(zhì)可知，當(dāng)光通過待測(cè)氣體時(shí)，光強(qiáng)的變化規(guī)律可用如下公式描述：

I＝I₀·e-αcL

其中：I₀為通過待測(cè)氣體前的光強(qiáng)，I為光信號(hào)通過待測(cè)氣體后的光強(qiáng)，c為待測(cè)氣體的濃度，L是光所通過的待測(cè)氣體的長度，α是待測(cè)氣體的吸收系數(shù)。為了便于測(cè)量，將上式改寫為：

c＝(1/αL)Ln(I₀/I)

由上式可以看出，只要知道了光通過待測(cè)氣體的光程長L以及待測(cè)氣體分子的吸收系數(shù)α，就可以通過測(cè)量I和I₀的比值求得待測(cè)氣體的濃度。其中，吸收系數(shù)α是通過推算和實(shí)驗(yàn)總結(jié)出來的，不同的氣體分子對(duì)應(yīng)的是一個(gè)固定值。因此，紅外氣體傳感器的濃度測(cè)量主要待測(cè)氣體經(jīng)過傳感器的光程長L有關(guān)。而在實(shí)際的數(shù)據(jù)處理中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)不同的氣體濃度c和光程長L的乘積在25％～40％的范圍內(nèi)，測(cè)得的數(shù)據(jù)具有較好的線性和精度。因此，傳感器的測(cè)量量程由氣室的長度決定，低量程需用長氣室，高量程用短氣室。

第一代紅外氣體傳感器采用分體對(duì)射式光路結(jié)構(gòu)，體積大，安裝復(fù)雜，光路尺寸不方便控制。第二代紅外氣體傳感器采用圓筒式結(jié)構(gòu)，光源通過圓形壁的反射實(shí)現(xiàn)光路結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，但這二種方式都存光路結(jié)構(gòu)體積大，采用機(jī)械加工方式制備，尺寸控制精度差等缺點(diǎn)，且易受干擾等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單、可適用于不同濃度檢測(cè)的光學(xué)傳感器芯體、傳感器，并相應(yīng)提供一種操作簡便、易于實(shí)現(xiàn)的芯體的制備方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：

一種光學(xué)傳感器芯體，包括基片，所述基片上設(shè)有底層反射層，所述底層反射層上設(shè)有電極柱，所述電極柱的另一端上設(shè)有頂層反射層，所述底層反射層和頂層反射層平行設(shè)置且中間形成光腔室，所述底層反射層的兩側(cè)分別設(shè)置有發(fā)射組件和接收組件，所述發(fā)射組件的光發(fā)射方向和接收組件的光接收方向與頂層反射層呈夾角β，所述夾角0＜β＜90度。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)：

所述底層反射層的兩側(cè)設(shè)有傾斜狀的臺(tái)階，所述發(fā)射組件和接收組件安裝于臺(tái)階的傾斜面上。

所述頂層反射層于光腔室的一內(nèi)側(cè)設(shè)置有支撐層，所述支撐層為Si₃N₄支撐層。

所述頂層反射層的外側(cè)設(shè)置有保護(hù)層。

所述發(fā)射組件為發(fā)光二極管，所述接收組件為紅外探測(cè)器。

所述基片與所述底層反射層之間設(shè)置有過渡層。

所述底層反射層和頂層反射層均為Al反射層；所述電極柱為Al電極柱。

本發(fā)明還公開了一種光學(xué)傳感器，包括基座，所述基座內(nèi)設(shè)有空腔且一端安裝有透氣外殼，所述空腔內(nèi)安裝有如上所述的光學(xué)傳感器芯體，所述基座的另一端燒結(jié)有引針，所述引針的一端與芯體相連，另一端伸出至基座外部。

本發(fā)明還公開了一種如上所述的光學(xué)傳感器芯體的制備方法，步驟為：

S01、清洗基片；

S02、在所述基片上制備底層反射層，并在底層反射層的兩側(cè)安裝發(fā)射組件和接收組件；

S03、在底層反射層上制備犧牲層和電極柱；

S04、在電極柱的上端制備頂層反射層；

S05、釋放犧牲層，以使底層反射層和頂層反射層之間形成光腔室，所述發(fā)射組件的光發(fā)射方向和接收組件的光接收方向與頂層反射層呈夾角β，所述夾角0＜β＜90度。。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)：

在步驟S02中，在所述底層反射層的兩側(cè)制備傾斜狀臺(tái)階，所述發(fā)射組件和接收組件分別安裝于底層反射層兩側(cè)臺(tái)階的傾斜面上。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

本發(fā)明的光學(xué)氣體傳感器芯體，通過在基片上設(shè)備底層反射層，并在底層反射層上通過電極柱安裝頂層反射層，底層反射層和頂層反射層之間形成光腔室，另外發(fā)射組件和接收組件與各反射層之間呈夾角，可以通過調(diào)整夾角，以適用于測(cè)量不同濃度的氣體，另外還可以通過調(diào)整電極柱的高度以改變光行程，進(jìn)一步便于對(duì)不同濃度氣體的測(cè)量，而且制作簡便快速、適用于批量生產(chǎn)，而且體積小。本發(fā)明的光學(xué)氣體傳感器，同樣具有如上芯體所述的優(yōu)點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)簡單、體積小、制作快速，方便批量化生產(chǎn)。本發(fā)明的光學(xué)氣體傳感器芯體的制備方法，操作簡便、易于實(shí)現(xiàn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明芯體的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的芯體俯視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明的傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中標(biāo)號(hào)表示：1、基片；2、過渡層；3、底層反射層；4、電極柱；5、支撐層；6、頂層反射層；7、保護(hù)層；8、臺(tái)階；9、發(fā)射組件；10、接收組件；11、引線；12、基座；13、引針；14、外殼。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

如圖1和圖2所示，本實(shí)施例的光學(xué)傳感器芯體，包括基片1，基片1上設(shè)有底層反射層3，底層反射層3上設(shè)有電極柱4，電極柱4的另一端上設(shè)有頂層反射層6，底層反射層3和頂層反射層6平行設(shè)置且中間形成光腔室，底層反射層3的兩側(cè)分別設(shè)置有發(fā)射組件9和接收組件10，其中電極柱4與發(fā)射組件9和接收組件10之間均通過金屬引線11連接，發(fā)射組件9的光發(fā)射方向和接收組件10的光接收方向與頂層反射層6呈夾角β，其中夾角0＜β＜90度。本發(fā)明的光學(xué)氣體傳感器芯體，通過在基片1上設(shè)備底層反射層3，并在底層反射層3上通過電極柱4安裝頂層反射層6，底層反射層3和頂層反射層6之間形成光腔室，另外發(fā)射組件9和接收組件10與各反射層之間呈夾角，可以通過調(diào)整夾角，以適用于測(cè)量不同濃度的氣體，另外還可以通過調(diào)整電極柱4的高度以改變光行程，進(jìn)一步便于對(duì)不同濃度氣體的測(cè)量。

本實(shí)施例中，基片1與底層反射層3之間設(shè)置有過渡層2，底層反射層3位于過渡層2的上方，過渡層2為SiO₂；底層反射層3兩側(cè)的過渡層2上通過光刻工藝形成臺(tái)階8，臺(tái)階8呈傾斜狀，發(fā)射組件9和接收組件10安裝于臺(tái)階8的傾斜面上，從而使發(fā)射光與頂層反射層6形成夾角，在光腔室內(nèi)多道反射后被接收組件10所接收，通過調(diào)整臺(tái)階8的傾斜角度，即可調(diào)光的路徑L，從而方便對(duì)不同濃度氣體的測(cè)量。

本實(shí)施例中，頂層反射層6于光腔室的一內(nèi)側(cè)設(shè)置有支撐層5，支撐層5為Si₃N₄支撐層5，呈透明狀，不會(huì)對(duì)光的反射產(chǎn)生影響。

本實(shí)施例中，底層反射層3和頂層反射層6均為Al反射層；電極柱4為Al電極柱4；頂層反射層6的外側(cè)設(shè)置有保護(hù)層7，防止頂層反射層6的Al被氧化。

本實(shí)施例中，發(fā)射組件9為發(fā)光二極管，接收組件10為紅外探測(cè)器。

如圖3所示，本發(fā)明還公開了一種光學(xué)傳感器，包括基座12，基座12內(nèi)設(shè)有空腔且一端安裝有透氣外殼14，空腔內(nèi)安裝有如上所述的光學(xué)傳感器芯體，基座12的另一端燒結(jié)有引針13，引針13的一端則與芯體相連，另一端伸出至基座12外部。

本發(fā)明還公開了一種如上所述的光學(xué)傳感器芯體的制備方法，步驟為：

S01、清洗基片1；

S02、在基片1上制備底層反射層3，并在底層反射層3的兩側(cè)安裝發(fā)射組件9和接收組件10；

S03、在底層反射層3上制備犧牲層和電極柱4；

S04、在電極柱4的上端制備頂層反射層6，其中發(fā)射組件9的光發(fā)射方向和接收組件10的光接收方向與頂層反射層6呈夾角β，其中夾角0＜β＜90度；

S05、釋放犧牲層，以使底層反射層3和頂層反射層6之間形成光腔室。

本實(shí)施例中，在步驟S02中，在底層反射層3的兩側(cè)制備傾斜狀臺(tái)階8，發(fā)射組件9和接收組件10分別安裝于底層反射層3兩側(cè)臺(tái)階8的傾斜面上。

下面結(jié)合圖1的結(jié)構(gòu)對(duì)本發(fā)明的方法做進(jìn)一步說明：

(1)清洗硅基片1，去除基片1表面油污及雜質(zhì)；

(2)采用PECVD鍍膜制備過渡層SiO₂，并通過光刻工藝形成臺(tái)階8；

(3)通過磁控濺射制備金屬引線11和底層反射層3，材料為Au或者Al；

(4)制備紅外光源LED和光電探測(cè)器PD，金屬引線11連接紅外光源LED和光電探測(cè)器PD的正負(fù)極；

(5)光刻工藝制備犧牲層，犧牲層材料為聚酰亞胺薄膜；

(6)磁控濺射方式制備Al金屬柱(電極柱4)，并與金屬引線11相連；

(7)PECVD制備Si₃N₄支撐層5(避免上層的Al頂層反射層6與犧牲層材料的兼容性差的問題)

(8)制備Al頂層反射層6；

(9)制備SiO₂保護(hù)層7；防止Al頂層反射層6被氧化。

(10)釋放犧牲層材料，用離子束去膠將犧牲層釋放(刻蝕掉)，形成空腔，也就是光路反射區(qū)域，該區(qū)域是氣體檢測(cè)通道(光腔室)。

最后，在制備傳感器時(shí)，將電極柱4與引針13通過金絲球焊連接，外殼14封裝，完畢，整個(gè)安裝過程簡單快速、工藝簡單、適用于批量化生產(chǎn)，而且制備的傳感器體積小。

在進(jìn)行氣體濃度測(cè)量時(shí)，整個(gè)氣體檢測(cè)過程為自然擴(kuò)散方式，氣體通過透氣外殼14，滲透到檢測(cè)區(qū)域(光腔室)，也就是到芯體位置。紅外發(fā)光二極管的二個(gè)電極(正/負(fù))，通恒定電流發(fā)出恒定光強(qiáng)的紅外光，紅外光經(jīng)光腔室發(fā)射后被光探測(cè)器接收，光探測(cè)器將光轉(zhuǎn)換為電流(也是正負(fù)電極)。氣體進(jìn)入光腔室，根據(jù)比爾朗伯定律，不同濃度氣體對(duì)光吸收程度不一樣，光探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，不同大小的光電流對(duì)應(yīng)不同濃度的檢測(cè)氣體。

以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤飾，應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。