共面纳米集成结构的多气体微纳传感器

基于新材料的纳米结构的红外气体传感器，能满足低功耗、高灵敏检测环境，并便于集成；集成多敏感元件与光源于一体的气体传感器，能够解决许多环境中局限一种气体检测的难题，MEMS窄带光谱式光源的集成，能解决以往宽光谱光源引起的高功耗问题，实现超微功耗的微集成技术，满足物联网、复杂环境对微红外多气体传感器的发展需求。

图8-9所示为多气体微纳共面集成芯片结构设想模型。所设计的多气体微纳传感器的敏感元件和红外光源处于同一个平面上，由四个敏感元件和一个红外光源组成。四个敏感元件中，敏感元1、2、3分别作为测试单元，参比敏感元作为参考单元，起参比及补偿作用。传感器的制作采用MEMS工艺。预期该芯片可以实现三种气体（如CH₄、C0₂、C0）的探测，该设计构想的研究与发展，将为物联网的高速发展和新型传感器向低功耗、小体积方面发展的趋势提供参考思路。

图8-9 共面集成微纳多参数敏感芯片结构

上述设计的集成结构中，纳米光源也被集成在单一芯片上，窄光源、低功耗的纳米结构光源用在气体检测中也是迫切需要解决的关键技术，该光源设想采用纳米黑硅与多晶硅结合，提出设计如图8-10所示的集成式纳米红外光源结构。多晶硅材料的熔点相对较高（约1688K），热辐射效率优于单晶硅材料，且与MEMS加工工艺（如刻蚀、离子注入掺杂等）有良好的兼容性，但是多晶硅材料在高温条件下容易发生再结晶现象，因此我们提出采用硼离子注入技术对多晶硅薄膜层进行掺杂改性，抑制多晶硅再结晶，实现多晶硅辐射层良好的电阻加热和体辐射效应，预期其电光转化效率会大幅度提高。

图8-10 集成黑硅纳米结构MEMS红外光源结构单元

在探测器敏感元件方面，结合MEMS工艺，选择热电堆结构原理的方法，其设计主体结构单元为基于不同掺杂类型的多晶硅，与红外辐射源的主体材料相同，为单片集成制造提供了可行性；探索一种简单便捷、工艺兼容性更高的黑硅纳米结构制备方法实现红外吸收增强，该方法采用了侧墙工艺并以多晶硅的粗糙表面为侧墙的支撑结构，整个过程仅需两次化学气相沉积与一次反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching，RIE），并可通过延长RIE的时间实现从纳米凸起结构到纳米柱森林结构的有效调控，最终在热电堆红外吸收区上实现了黑硅纳米结构的制作，如图8-11所示，预期设想的集成结构中的黑硅纳米结构热电堆单元如图8-12所示。

图8-11 项目组制备的大面积黑硅(www.xing528.com)

图8-12 集成黑硅纳米结构MEMS热电堆探测器单元结构截面分解示意图

在集成芯片制作工艺上，先使用假片制作key-lock结构并进行键合，再使用光学检漏仪检测其真空度是否满足要求，根据检测结果不断完善键合工艺。晶圆级封装主要能够解决MEMS红外辐射源的热管理问题以及传感器各组件之间的精确对准问题。通过绝热槽的制作与晶圆级真空封装，辐射源周围的热传导将被最大程度的限制，其产生的热量将被限定在辐射源附近而不会影响集成的探测器和光学结构，从而避免了器件使用过程中自身发热对其性能产生的影响。此外，通过机械上互补的结构，使传感器各组件在键合的过程中能够最大程度的吻合理论设计的光路，使器件性能得到最大程度的优化。

光学气室的内壁由顶平面、底平面以及弧形侧壁围成，为增加反光性能，其内壁采取镀金处理。在其顶平面上开有与外界交换气体的小孔，以方便气体进入。共面集成芯片、各滤光片都被集成在气室内部，光源发出的光照射到顶平面、并经椭球面反射汇聚到各探测器敏感元件上，而入射到其它部分的光线，只有小数能够到达探测器元件上，因此探测器敏感元件吸收到的光主要来自于经过顶平面、椭球面反射的那部分光。当这部分光照射到敏感元件之前，都经过多次反射，其经过的光路长度为这多次光路长度之和：光从光源到顶平面的光路、从顶平面到椭球面的光路和从椭球面到探测器敏感元件的光路，其具体的结构示意图如图8-13所示。

图8-13 全集成多参数红外气体传感器一体化设计图

用体积较小的气室保证了吸收光的长光程，而且体积较小的气室与外界环境进行气体交换时比较简单，同时，微型气室能够缩小整个传感器的体积，实现了传感器微型化的集成技术，并且也便于在气室内部置入信号前置处理电路。

该共面集成纳米结构的多参数检测气体传感器设计构想得到2013年国家自然科学基金重点项目（No.61335008）资助，由中北大学与中国科学院联合申请，预期开展5年以上的理论及技术攻关研究工作，预期将会为低功耗微型化纳米气体传感器在物联网应用方面带来好的前景。