本實(shí)用新型屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）傳感器設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于MEMS的電容式紅外氣體傳感器。

背景技術(shù)：

氣體檢測技術(shù)在日常生活及生產(chǎn)的應(yīng)用范圍越來越廣泛，具體集中在礦井勘測、大氣污染監(jiān)測、化工產(chǎn)業(yè)監(jiān)測、廢水處理裝置等方面。礦井勘測包括勘探到石油和煤氣、運(yùn)輸、儲存和精煉，都會產(chǎn)生大量易燃和有毒氣體，所以氣體檢測常應(yīng)用在勘探鉆井、生產(chǎn)平臺、煤氣末站等場合。如今空氣污染嚴(yán)重，氣體檢測技術(shù)能夠及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測人類生存環(huán)境的空氣質(zhì)量指數(shù)，并提供城市空氣污染情況預(yù)報(bào)；化工廠是氣體探測設(shè)備最大的用戶之一，在其生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生各式各樣的易燃性和毒性氣體，所以氣體檢測技術(shù)常被應(yīng)用在工藝區(qū)、實(shí)驗(yàn)室等；廢水處理裝置在很多城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)都很常見，污水里含有有毒氣體，其能夠通過氣體檢測技術(shù)被控制。

目前氣體檢測技術(shù)主要依賴于氣體傳感器進(jìn)行，氣體傳感器根據(jù)氣敏材料及工作原理不同可大致分為半導(dǎo)體氣體傳感器、電化學(xué)氣體傳感器、固體電解質(zhì)氣體傳感器、催化燃燒式氣體傳感器、光學(xué)氣體傳感器等。半導(dǎo)體氣體傳感器具有成本低廉、制造簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快、壽命長、對濕度敏感低和電路簡單等優(yōu)點(diǎn)，但是其必須在高溫下工作，穩(wěn)定性差、功率高；電化學(xué)氣體傳感器分為不需供電的原電池式和需要供電的可控電位電解式，可以檢測許多有毒氣體和氧氣，主要優(yōu)點(diǎn)是氣體的高靈敏度以及良好的選擇性，不足之處是壽命短，一般為兩年。固態(tài)電解質(zhì)氣體傳感器是介于半導(dǎo)體和電化學(xué)之間的一種氣體傳感器，其選擇性和靈敏度都高于半導(dǎo)體，并且壽命較長，因此能夠應(yīng)用到很多方面，它的缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間過長。催化燃燒式傳感器屬于高溫氣體傳感器，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)制造成本低，傳感器輸出不受水蒸氣的影響，對環(huán)境的溫濕度影響不敏感，其缺點(diǎn)是壽命比較低，工作溫度較高（內(nèi)部可達(dá)700℃～800℃），在缺氧環(huán)境下檢測指示值誤差較大。光學(xué)式氣體傳感器主要以紅外吸收型為主，由于不同氣體對紅外波吸收程度不同，通常都是通過測量紅外吸收波長來檢測氣體濃度。

整體上講，紅外氣體傳感器與其他類別氣體傳感器相比具有使用壽命長、性價(jià)比高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但目前市場上的紅外氣體傳感器普遍存在溫度漂移問題。環(huán)境溫度變化時(shí)會引起晶體管或者感應(yīng)電阻等的電學(xué)參數(shù)變化，造成靜態(tài)工作點(diǎn)的不穩(wěn)定，使電路動態(tài)參數(shù)不穩(wěn)定而引起誤差，甚至導(dǎo)致電路無法正常工作。另一方面，這些傳統(tǒng)的傳感器難以集成化、成本十分高，導(dǎo)致無法完全市場化。所以市場更加需要技術(shù)成熟，成本低廉，更加實(shí)用的氣體傳感器，基于MEMS的電容式紅外氣體傳感器就是一種能夠滿足上述要求的傳感器技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是體積小、功耗低、性能好、響應(yīng)速度快。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，解決溫度漂移嚴(yán)重、功能單一、難以集成化、成本高的問題，提供一種基于MEMS的電容式紅外氣體傳感器。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案：

一種基于MEMS的電容式紅外氣體傳感器，其特征在于，包括：依次連接的直流電源、敏感探頭、信號調(diào)理電路以及信號處理電路；所述敏感探頭包括MEMS紅外光源、待測氣室、參比氣室、紅外濾光片陣列和紅外探測陣列；所述待測氣室和參比氣室形成左右對稱結(jié)構(gòu)，側(cè)壁均設(shè)置有絕緣絕熱板，頂部均與MEMS紅外光源相接，底部均與紅外濾光片陣列相接，其中所述待測氣室設(shè)有進(jìn)氣孔和出氣孔，用于與待測氣體環(huán)境相通，所述參比氣室為封閉結(jié)構(gòu)，內(nèi)封有一個(gè)大氣壓的、不含待測氣體的標(biāo)準(zhǔn)氣體；所述MEMS紅外光源經(jīng)直流電源對其通電后，向待測氣室和參比氣室輻射紅外光，紅外光分別穿過待測氣室和參比氣室，通過紅外濾光片陣列出射，紅外探測陣列對出射的紅外光進(jìn)行探測，將探測信號傳送給信號調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)理，再經(jīng)過信號處理電路輸出數(shù)據(jù)。

為優(yōu)化上述技術(shù)方案，采取的具體措施還包括：

所述MEMS紅外光源為集成在硅襯底上的多晶硅電阻條。

所述MEMS紅外光源包括固定結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，所述固定結(jié)構(gòu)固定安裝在參比氣室頂部，所述旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)通過旋轉(zhuǎn)桿可旋轉(zhuǎn)地安裝在待測氣室頂部。

所述紅外探測陣列設(shè)置在紅外濾光片陣列底部，紅外探測陣列包括密封氣腔、充氣閥、摻硼電極和感應(yīng)電容，摻硼電極和紅外濾光片陣列之間形成多個(gè)密封氣腔，密封氣腔由充氣閥控制氣體的進(jìn)出，從紅外濾光片陣列出射的紅外光進(jìn)入密封氣腔，被密封氣腔中的氣體吸收，受熱使得密封氣腔膨脹，從而擠壓摻硼電極發(fā)生形變，使得與摻硼電極串聯(lián)的感應(yīng)電容大小發(fā)生變化。

所述紅外濾光片陣列由鑲嵌在隔光絕熱板中的濾光片陣列構(gòu)成，所述濾光片包括CO濾光片、CH₄濾光片和SO₂濾光片，分別用于吸收在CO、CH₄和SO₂氣體的紅外吸收峰波段的光，所述CO濾光片、CH₄濾光片和SO₂濾光片分別對應(yīng)于不同的密封氣腔，紅外光穿過待測氣室和參比氣室后分別從CO濾光片、CH₄濾光片和SO₂濾光片出射，進(jìn)入相對應(yīng)的各密封氣腔。

所述信號調(diào)理電路包括依次連接的信號放大器、信號濾波器和功率放大器，還包括用于對干擾信號進(jìn)行隔離處理的光耦隔離器。

所述信號處理電路包括ADC轉(zhuǎn)換器、信號隔離器、單片機(jī)、LDO線性電源和USB，ADC轉(zhuǎn)換器將經(jīng)過信號調(diào)理電路調(diào)理的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)過信號隔離器輸入單片機(jī)，并通過USB接口輸出最終數(shù)據(jù)，所述LDO線性電源用于給信號隔離器和單片機(jī)供電。

所述信號隔離器包括光耦隔離器和磁耦隔離器。

本實(shí)用新型提出的一種基于MEMS的電容式紅外氣體傳感器，一方面，固定MEMS紅外光源的輻射量，通過測量氣體吸熱膨脹后引起傳感器芯片電容變化來反推氣體濃度；另一方面，移開加熱電阻條輻射裝置，直接接受太陽輻射照射，通過測量密封氣體吸熱膨脹引起的電容變化來反推輻射量大小。

從以上技術(shù)方案可以看出，本實(shí)用新型具有以下有益效果：

（1）利用氣體的紅外吸收譜分析氣體濃度，將紅外光譜分析的手段與MEMS技術(shù)相結(jié)合，具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、壽命長、體積小等特點(diǎn)；

（2）采取陣列的形式，對比分析多個(gè)特征波長紅外光的強(qiáng)度差別來計(jì)算多種氣體的濃度，集成化程度高；

（3）采用參比氣室結(jié)構(gòu)，利用串聯(lián)電容作為感應(yīng)元件，有效抑制了溫度的變化帶來的影響，測量結(jié)果更為精確，且應(yīng)用串聯(lián)電容，減輕了線路連接的繁瑣復(fù)雜性；

（4）工藝簡單、成本低，與CMOS工藝兼容，可將信號的檢測、調(diào)理和處理電路集成在一起，符合傳感器小型化、陣列化、智能化的發(fā)展趨勢；

（5）在太陽輻射檢測方面，結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，有效實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測量。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型敏感探頭的縱向剖視圖。

圖2是本實(shí)用新型敏感探頭的局部示意圖。

圖3是本實(shí)用新型信號調(diào)理電路和信號處理電路的示意圖。

圖4是本實(shí)用新型的制備流程圖。

附圖標(biāo)記如下：MEMS紅外光源1、固定結(jié)構(gòu)11、旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)12、旋轉(zhuǎn)桿13、待測氣室2、進(jìn)氣孔21、出氣孔22、參比氣室3、絕緣絕熱板4、紅外濾光片陣列5、隔光絕熱板51、濾光片52、紅外探測陣列6、密封氣腔61、充氣閥62、硅襯底63、摻硼電極64、引線層65、引線66、鋁電極67、玻璃襯底68。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本實(shí)用新型。

本實(shí)用新型提出的一種基于MEMS的電容式紅外氣體傳感器，包括依次連接的直流電源、敏感探頭、信號調(diào)理電路以及信號處理電路。

如圖1所示，敏感探頭包括MEMS紅外光源1、待測氣室2、參比氣室3、紅外濾光片陣列5和紅外探測陣列6。MEMS紅外光源1可以是集成在硅襯底上的多晶硅電阻條，電阻條通以電流后，由于溫度升高，向外輻射寬譜紅外光，其波長范圍在1~20μm，滿足儀器對紅外光波長范圍的需要。待測氣室2和參比氣室3為對稱結(jié)構(gòu)，大小相同，結(jié)構(gòu)相似，側(cè)壁由絕緣絕熱板4構(gòu)成，其中待測氣室2為開放結(jié)構(gòu)，前端設(shè)有進(jìn)氣孔21，背部設(shè)有出氣孔22，通過進(jìn)出氣孔與待測氣體環(huán)境相通；參比氣室3為封閉結(jié)構(gòu)，內(nèi)封一個(gè)大氣壓的標(biāo)準(zhǔn)氣體，標(biāo)準(zhǔn)氣體內(nèi)不含待測的氣體成分。MEMS紅外光源1安裝在兩個(gè)氣室的頂部，參與氣室3對應(yīng)的紅外光源為固定結(jié)構(gòu)11，待測氣室2對應(yīng)的紅外光源為旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)12，可通過旋轉(zhuǎn)桿13繞固定結(jié)構(gòu)11進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，對待測氣室2起到一個(gè)開啟和關(guān)閉的作用。紅外濾光片陣列5分別安裝在兩個(gè)氣室的底部，直對頂部的MEMS紅外光源1。

MEMS紅外光源1經(jīng)直流電源通以電流后會向外輻射紅外光，分別進(jìn)入待測氣室2和參比氣室3。紅外光分別穿過待測氣室2和參比氣室3后，通過紅外濾光片陣列5后以陣列的形式進(jìn)入密封氣腔61中。紅外濾光片陣列5的出射端分別與密封氣腔61相對應(yīng)。待測氣室2底部的濾光片與參比氣室3底部的濾光片相同，而同一氣室中對應(yīng)了幾種不同的濾光片，如圖2所示的濾光片陣列，從前端到后端，第一排為CO濾光片，第二排為CH₄濾光片，第三排為SO₂濾光片，CO濾光片選取了CO在紅外波段的一個(gè)吸收峰4.65μm，CH₄濾光片選取了CH₄在紅外波段的兩個(gè)吸收峰2.4μm、3.3μm，SO₂濾光片選取了SO₂在紅外波段中的兩個(gè)吸收峰7.45μm、8.7μm。其中，CO濾光片的出射端對應(yīng)一個(gè)密封氣腔，CH₄濾光片出射端共同對應(yīng)一個(gè)密封氣腔，SO₂濾光片出射端共同對應(yīng)一個(gè)密封氣腔。

當(dāng)測定已知不同濃度的CO、CH₄、SO₂氣體（用于標(biāo)定的氣體）時(shí)，將待測氣室2頂部的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)12閉合，將傳感器放置于已知?dú)怏w中并接通電源，通過進(jìn)出氣孔，使得待測氣室2中充滿待測氣體，MEMS紅外光源1發(fā)出的紅外光穿過待測氣室2，在經(jīng)過待測氣室2時(shí)被待測氣室2中的混合氣體吸收，使得光強(qiáng)發(fā)生變化，而在CO、CH₄、SO₂氣體的吸收峰波段光強(qiáng)變化尤為明顯，通過不同吸收波長的濾光片52出射后進(jìn)入到各個(gè)相對應(yīng)的密封氣腔61中，被密封氣腔61中的相應(yīng)的氣體吸收，受熱會使得密封氣腔61膨脹，從而擠壓密封氣腔61底部使其摻硼電極64發(fā)生形變，導(dǎo)致與其相串聯(lián)的感應(yīng)電容的大小發(fā)生變化。

如圖3所示，通過放大濾波等電路進(jìn)行信號調(diào)理，并將電容信號通過ADC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再由單片機(jī)接受與處理，并通過USB接口輸出最終數(shù)據(jù)，為了消除電源不穩(wěn)定、模數(shù)信號相互干擾的不良因素的影響，信號隔離器采用光耦隔離器和ADuM5401磁耦隔離器進(jìn)行了干擾信號的隔離處理。MEMS紅外光源1發(fā)出的紅外光穿過待測氣室2，由于參比氣室3整體是密封的，其內(nèi)部為一個(gè)大氣壓的標(biāo)準(zhǔn)氣體，不含待測氣體，它出射到密封氣腔61中的光強(qiáng)不會發(fā)生變化，其串聯(lián)電容發(fā)生的變化也是始終恒定的，通過對電路進(jìn)行信號調(diào)理，并將電容信號通過ADC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，該信號包含了測量環(huán)境的共模信號，例如環(huán)境溫度的影響。其中，AD轉(zhuǎn)換器可采用AD7745，單片機(jī)可采用STM32。

將待測氣室2得到的數(shù)字信號與參比氣室3得到的數(shù)字信號對比，差分處理后得到去除了溫度漂移等共模信號影響的數(shù)字信號變化的大小，依據(jù)數(shù)字信號變化的大小得到關(guān)于CO、CH₄、SO₂氣體濃度（標(biāo)定氣體）與數(shù)字信號變化大小之間擬合曲線關(guān)系。

當(dāng)進(jìn)行未知?dú)怏w濃度探測時(shí)，將標(biāo)定后的傳感器放置于待測氣體中并接通電源，通過進(jìn)出氣孔，使得待測氣室2中充滿待測氣體，MEMS紅外光源1發(fā)出的紅外光穿過待測氣室2，在經(jīng)過待測氣室2時(shí)被待測氣室2中的氣體吸收，再通過紅外濾光片陣列5出射后進(jìn)入到密封氣腔61中，被密封氣腔61中的相應(yīng)的CO、CH₄、SO₂氣體吸收，受熱會使得密封氣腔膨脹，從而擠壓密封氣腔底部使摻硼電極發(fā)生形變，導(dǎo)致與其相串聯(lián)的感應(yīng)電容的大小發(fā)生變化，通過信號調(diào)理電路進(jìn)行信號調(diào)理，并將電容信號通過ADC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后根據(jù)數(shù)字信號變化的大小來計(jì)算出待測氣室2中氣體的濃度。

此外本實(shí)用新型的氣體傳感器還具備太陽輻射量測量的功能。將待測氣室2對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)12通過旋轉(zhuǎn)桿13旋轉(zhuǎn)移開，并將傳感器正對太陽光，使得陽光能夠直接照射到紅外濾光片陣列5上，太陽輻射中包含有CO、CH₄、SO₂氣體吸收光譜，由于密封氣腔61中CO、CH₄、SO₂氣體含量恒定，太陽輻射量不同，相應(yīng)光譜被各個(gè)氣體吸收后的輻射吸熱膨脹也不同，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)脚痣姌O64形變不同，最終感應(yīng)電容的大小也存在明顯差異，這樣根據(jù)標(biāo)定后的氣體傳感器的電容大小可以測量太陽輻射量的大小。本實(shí)用新型中利用三種不同氣體來綜合測算太陽輻射量的大小精度更高，穩(wěn)定性更好，另外參比氣室3也可以剔除環(huán)境溫度等共模信號的干擾，使得最終太陽輻射量測定精度較高。

如圖4所示，基于MEMS的電容式紅外氣體傳感器的制備方法，包括以下步驟：

步驟一：清洗P型單晶硅襯底，然后在其頂面和底面均熱氧化生長出一層SiO₂，如圖4（a）所示；

步驟二：在底面SiO₂層表面的第一部分區(qū)域涂上光刻膠，再用HF溶液做濕法腐蝕，漂去未涂敷光刻膠部位的SiO₂，如圖4（b）所示；

步驟三：在裸露的硅襯底部位進(jìn)行硼離子注入，注入深度為0.5~1.5μm，形成摻雜濃硼硅層，即摻硼電極64，如圖4（c）所示；

步驟四：在頂面SiO₂層表面的第二部分區(qū)域涂上光刻膠，第二部分區(qū)域與第一部分區(qū)域垂直相對應(yīng)，用RIE反應(yīng)離子刻蝕法去除未涂敷光刻膠部位的SiO₂，再用堿性氫氧化鉀腐蝕劑各向異性腐蝕裸露出來的P型硅，直至摻硼電極64即停止腐蝕，得到深度為0.25~0.35mm的多個(gè)硅坑，然后除去剩余光刻膠，對頂面左右兩端殘留的SiO₂層進(jìn)行打孔，每個(gè)硅坑對應(yīng)一個(gè)孔洞，接入充氣閥62，用于充入和密封不同的檢測氣體，如圖4（d）所示；

步驟五：刻蝕玻璃襯底68，在刻蝕后的玻璃頂面涂上光刻膠，形成光刻圖形，在光刻圖形表面涂敷鋁薄膜，采用剝離工藝（Lift-off），去除光刻膠和不需要的鋁薄膜，形成鋁電極67，如圖4（e）所示；

步驟六：在鋁電極67處進(jìn)行引線，并從設(shè)置在玻璃襯底68的頂面左右兩端的引線層65引出，再將步驟五中得到的帶有鋁電極67的玻璃襯底68的頂面和硅襯底63的底面相對鍵合到一起，形成平板電容器，將嵌有濾光片52的隔光絕熱板51與硅襯底63頂面相對鍵合到一起，形成密封氣腔61，對密封氣腔61進(jìn)行充氣，對應(yīng)于CO濾光片的密封氣腔充入CO氣體，對應(yīng)CH₄濾光片的密封氣腔充入CH₄氣體，對應(yīng)SO₂濾光片的密封氣腔充入SO₂氣體，如圖4（f）所示。

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