本发明公开了一种CMOS/MEMS兼容光谱式气敏传感器，利用待测气体的近红外透射谱进行定性及定量分析。该传感器由红外光源、光子晶体色散棱镜、红外光电检测阵列等部分组成，采用参比结构，通过分析气体近红外透射谱的特征谱线位置来判定气体种类，并由相应的吸光度确定气体浓度。利用本发明，解决了现有MEMS气敏传感器工艺复杂、寿命短的缺点，具有高灵敏度探测能力，且其制作与CMOS工艺兼容，可批量生产，降低成本，并通过集成阵列分析气体浓度梯度。
1.一种CMOS/MEMS兼容光谱式气敏传感器，利用气体的近红外透射谱确定气体种类和浓度，其特征在于，该传感器由均集成在硅衬底上的红外光源(1)、光子晶体色散棱镜(2)、测量气室(3)、参比气室(4)、测量气室红外光电检测阵列(5)和参比气室红外光电检测阵列(6)构成；
其中，所述红外光源(1)为集成在(110)硅衬底上的二极管，该二极管发出的红外光通过一对竖直狭缝(102)后，以相同的角度、等大功率入射在所述光子晶体色散棱镜(2)上，并在空间按波长展开。
2.根据权利要求1所述的CMOS/MEMS兼容光谱式气敏传感器，其特征在于，所述竖直狭缝(102)为硅衬底上刻蚀出的1微米宽，5微米深的狭缝，且该对竖直狭缝(102)距红外光源(1)出光口的距离相等。
3.根据权利要求1所述的CMOS/MEMS兼容光谱式气敏传感器，其特征在于，所述光子晶体色散棱镜(2)为在(110)硅衬底上刻蚀出的孔洞阵列，该阵列由等大的孔洞二维周期排布形成，其周期与孔洞的几何尺寸均与近红外波长为相同数量级，利用光子晶体对波长敏感的超棱镜效应，将入射红外光在空间展开。
4.根据权利要求1所述的CMOS/MEMS兼容光谱式气敏传感器，其特征在于，所述测量气室(3)和参比气室(4)为对称结构，大小相同，与光子晶体色散棱镜(2)相接；测量气室(3)为开放结构，与待分析气体环境相通；参比气室(4)则为封闭结构，内封一个大气压的标准气体，该标准气体内不含待检测的特殊成分。
5.根据权利要求4所述的CMOS/MEMS兼容光谱式气敏传感器，其特征在于，所述测量气室(3)尾部具有用于检测通过气室后的透射红外光光强的测量气室红外光电检测阵列(5)，所述参比气室(4)尾部具有用于检测通过气室后的透射红外光光强的参比气室红外光电检测阵列(6)，经色散的红外光穿过气室中的气体后在各自的光电检测阵列上成像，并依检测气体的不同形成不同特征的透射谱，通过分析透射谱的特征确定待测气体的种类，并通过测量吸光度确定该气体的含量。
6.根据权利要求1所述的CMOS/MEMS兼容光谱式气敏传感器，其特征在于，所述测量气室红外光电检测阵列(5)和参比气室红外光电检测阵列(6)均为半导体珀尔贴效应制冷的InGaAs光电二极管线型阵列。
7.根据权利要求1所述的CMOS/MEMS兼容光谱式气敏传感器，其特征在于，所述光源(1)发出的红外光经所述光子晶体色散棱镜(2)大角度分光后，在测量气室红外光电检测阵列(5)和参比气室红外光电检测阵列(6)的不同像元上得到的结果近似为不同波长的单色光的成像结果，亦即测量气室红外光电检测阵列(5)和参比气室红外光电检测阵列(6)上不同像元输出的电信号对应不同波长的红外光的强度。
8.根据权利要求7所述的CMOS/MEMS兼容光谱式气敏传感器，其特征在于，进入测量气室(3)的红外光，会依待测气体中目标气体的种类和浓度，形成不同的透射谱，透射谱上吸收峰出现的位置表达了气体种类特征，而吸收峰的强度则体现了气体的浓度变化；
进入参比气室(4)的红外光，由于未与目标气体发生作用，故而在目标气体的透射谱上特征峰处的光强不会发生较大的变化；
通过比较测量气室(3)和参比气室(4)检测到的透射谱，可检测到待测气体中目标气体的存在引起的光谱变化情况，包括吸收峰的位置和强度两个信息，经信号处理电路分析所得数据，则可获得待测气体中目标气体的种类及其浓度。
CMOS/MEMS兼容光谱式气敏传感器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种气敏传感器，尤其涉及一种CMOS/MEMS兼容光谱式气敏传感器，该传感器利用气体的近红外透射谱的特征判断气体种类，并通过测量吸光度确定气体含量，解决现有气敏传感器灵敏度低、寿命有限、无矢量探测能力的问题，并与CMOS工艺兼容，可批量生产，便于降低成本，广泛使用。
背景技术
[0002] 随着科技发展与时代进步，人们对及时准确监控气体环境的要求越来越高。传统的气敏传感器体积大功耗高，灵敏度低，性能一致性差，使用不便且成本高，难于推广。MEMS气敏传感器继承微电子技术的优势，体积小功耗低，性能一致性好，使用方便，但是基于敏感膜类的MEMS气敏传感器一般都是利用敏感膜与目标气体发生选择性吸附后引起电阻电容等电参量或振动频率等机械参量的变化来实现气体检测的，这类传感器往往存在灵敏度与传感器寿命难以折中的问题。
[0003] 光谱分析作为化学分析的终极手段，是有效解决目前气敏传感器研发领域诸多问题的一个选择，尤其是其在抗水汽干扰、选择性等方面的的长处更是敏感膜类气敏传感器无法比拟的。但是已有的光谱式气敏传感器体积大成本高，不便于广泛使用。
发明内容
[0004] (一)要解决的技术问题
[0005] 为了解决现有气敏传感器选择性差、灵敏度低、抗干扰能力弱、误报率高、以及传感器易中毒等问题，本发明提供了一种CMOS/MEMS兼容光谱式气敏传感器，以满足人们对于高精度气体分析的要求。
[0006] (二)技术方案
[0007] 为达到上述目的，本发明提供一种CMOS/MEMS兼容光谱式气敏传感器，利用气体的近红外透射谱确定气体种类和浓度，该传感器由集成在硅衬底上的红外光源1、光子晶体色散棱镜2、测量气室3、参比气室4、测量气室红外光电检测阵列5和参比气室红外光电检测阵列6构成。
[0008] 上述方案中，所述红外光源1为集成在(110)硅衬底上的二极管，该二极管发出的红外光通过一对竖直狭缝102后，以相同的角度、等大功率入射在所述光子晶体色散棱镜2上，并在空间按波长展开。
[0009] 上述方案中，所述竖直狭缝102为硅衬底上刻蚀出的1微米宽，5微米深的狭缝，且该对竖直狭缝102距红外光源1出光口的距离相等。
[0010] 上述方案中，所述光子晶体色散棱镜2为在(110)硅衬底上刻蚀出的孔洞阵列，该阵列由等大的孔洞二维周期排布形成，其周期与孔洞的几何尺寸均与近红外波长为相同数量级，利用光子晶体对波长敏感的超棱镜效应，将入射红外光在空间展开。
[0011] 上述方案中，所述测量气室3和参比气室4为对称结构，大小相同，与光子晶体色散棱镜2相接；测量气室3为开放结构，与待分析气体环境相通；参比气室4则为封闭结构，内封一个大气压的标准气体，该标准气体内不含待检测的特殊成分。
[0012] 上述方案中，所述测量气室3尾部具有用于检测通过气室后的透射红外光光强的测量气室红外光电检测阵列5，所述参比气室4尾部具有用于检测通过气室后的透射红外光光强的参比气室红外光电检测阵列6，经色散的红外光穿过气室中的气体后在各自的光电检测阵列上成像，并依检测气体的不同形成不同特征的透射谱，通过分析透射谱的特征确定待测气体的种类，并通过测量吸光度确定该气体的含量。
[0013] 上述方案中，所述测量气室红外光电检测阵列5和参比气室红外光电检测阵列6均为半导体珀尔贴效应制冷的InGaAs光电二极管线型阵列。
[0014] 上述方案中，所述光源1发出的红外光经所述光子晶体色散棱镜2大角度分光后，在测量气室红外光电检测阵列5和参比气室红外光电检测阵列6的不同像元上得到的结果近似为不同波长的单色光的成像结果，亦即测量气室红外光电检测阵列5和参比气室红外光电检测阵列6上不同像元输出的电信号对应不同波长的红外光的强度。
[0015] 上述方案中，进入测量气室3的红外光，会依待测气体中目标气体的种类和浓度，形成不同的透射谱，透射谱上吸收峰出现的位置表达了气体种类特征，而吸收峰的强度则体现了气体的浓度变化；进入参比气室4的红外光，由于未与目标气体发生作用，故而在目标气体的透射谱上特征峰处的光强不会发生较大的变化；通过比较测量气室3和参比气室4检测到的透射谱，可检测到待测气体中目标气体的存在引起的光谱变化情况，包括位置和强度两个信息，经信号处理电路分析所得数据，则可获得待测气体中目标气体的种类及其浓度。
[0016] (三)有益效果
[0017] 从以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果
[0018] (1)本发明提供的CMOS/MEMS兼容光谱式气敏传感器，利用气体的近红外透射谱分析气体，克服了基于化学反应的气敏传感器中敏感材料对器件性能的影响，具有响应快速、灵敏度高、重复性和一致性好、抗干扰能力强、寿命长等特点。
[0019] (2)本发明提供的CMOS/MEMS兼容光谱式气敏传感器，采用光子晶体超棱镜为色散元件，极大提高了分光能力，将光源发出的红外光按波长在空间上充分展开，使得实际测量结果与基于单色光的理论分析更为接近，传感器的线性度大大提高。
[0020] (3)本发明提供的CMOS/MEMS兼容光谱式气敏传感器，针对气体的近红外光谱进行分析，并利用光电转换方式实现信号直接转换。近红外区是气体光谱的“指纹区”，同时，利用这段光谱进行分析，可避免中红外光谱分析时需要利用红外热效应进行信号转换的环节，更加快速可靠。
[0021] (4)本发明提供的CMOS/MEMS兼容光谱式气敏传感器，采取差量检测手段，有效抑制环境温度湿度等变化影响带来共模噪声，提高信噪比，测量结果更为精确。
[0022] (5)本发明提供的CMOS/MEMS兼容光谱式气敏传感器，与CMOS工艺完全兼容，利用成熟的IC技术，将信号的检测和处理分析集成在一起，并可通过制作传感器阵列来实现气体浓度的矢量分析，判断气源，符合气敏传感器小型化、阵列化、智能化的发展趋势。
附图说明
[0023] 图1为本发明提供的CMOS/MEMS兼容光谱式气敏传感器平面结构示意图；
[0024] 图2为本发明提供的CMOS/MEMS兼容光谱式气敏传感器光电检测线型阵列中某像元的原理示意图；
[0025] 图中，红外光源1、光子晶体色散棱镜2、测量气室3、参比气室4、测量气室红外光电检测阵列5和参比气室红外光电检测阵列6、狭缝102。
具体实施方式
[0026] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合分析环境气体中苯蒸汽为具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0027] 如图1所示，图1为本发明提供的CMOS/MEMS兼容光谱式气敏传感器结构示意图，该传感器主要由红外红源1、光子晶体色散棱镜2、测量气室3、参比气室4、测量气室红外光电检测阵列5和参比气室红外光电检测阵列6构成。
[0028] 红外光源1为集成在(110)硅衬底上的二极管，该二极管在0～5μm有稳定的红外辐射输出，发光管发出的红外光经一对5微米深、1微米宽单晶硅狭缝后，被分为两束，以等大功率、相同角度入射在光子晶体色散棱镜2上，并经光子晶体色散棱镜2分光后在测量气室红外光电检测阵列5和参比气室红外光电检测阵列6的多个像元上分别成像。
[0029] 光子晶体色散棱镜2和狭缝102是(110)硅衬底上制作的空间结构，以氮化硅掩膜，ICP定义刻蚀窗口后，通过各向异性湿法腐蚀获得光洁度极高的竖直结构。
[0030] 不同波长的单色光的强度由测量气室3和参比气室4尾部的测量气室红外光电检测阵列5和参比气室红外光电检测阵列6上不同空间位置的像元检测。各像元如图2所示，为反偏的InGaAs光电二极管，照射在空间电荷区的红外光引将起光生载流子的增加：入射光强越大，产生的载流子越多，回路的反偏饱和电流越大。为使光电二极管有更好的相应特性，需要对其进行制冷至-20℃。通过各像元输出的电信号可得到红外光经过气室后形成的透射谱。
[0031] 测量气室3和参比气室4大小相同、结构对称，区别在于测量气室3是开放结构，与待测环境相通，其内部的气体成分与环境相同，而参比气室4则为封闭结构，其内部的气体为不含苯的标准气体。
[0032] 红外光源1发出的光分束后，由光子晶体色散棱镜2将其所含各单色光分量展开，分别通过测量气室3和参比气室4，并通过测量气室红外光电检测阵列5和参比气室红外光电检测阵列6获得两气室内部气体的近红外透射谱信号。将两光谱进行比较，可知测量气室3中各波长的红外光的吸光度变化。检测苯的特征峰处吸光度的变化，便知待测气体中的苯含量。
[0033] 以上所述的具体实施实例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施实例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
