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技术领域

本发明涉及用于制造气体传感器的系统、方法、装置、设备和物品。

背景技术

环境气体传感器测量各个环境的气体浓度。环境气体传感器的一个 例子是测量空气中的气体浓度的非色散红外线(NDIR)气体传感器。红外 线光源的光穿过包含需被测量气体混合物的管道。

依靠需被测量的气体种类的浓度，红外线光在穿过该管道时被部分 吸收。在该管的末端，滤光器除去剩余光的每个波长，除了被选定的气 体种类吸收的那个波长。滤光后，检测器读取剩余光的量。非分散型红 外线传感器的滤波器需要适应于被测量的气体的波长。

非分散型红外线传感器能用很高的灵敏度来测量气体浓度。然而， 这样的非分散型红外线传感器也趋向于较大尺寸，一般约为几厘米，这 是由于需要长光程以达到这些灵敏度。这就阻碍了进一步的小型化和集 成化，例如，应用在移动设备中。

环境气体传感器的另一个例子是导热率(TC)气体传感器，又名热 丝检测器。导热率(TC)传感器是依据各气体具有不同导热能力的原理进 行操作的。利用该特性能测量具有不同导热率的气体组成的混合物中的 气体浓度。这些传感器的一个举例配置包括加热元件、传感元件，虽然 该加热和传感元件可以是同一个。传感器包括铂或者钨的细丝，该细丝 与气体接触，并由电流加热。

发明内容

举例实施例的环境传感器具有相比于非分散型红外线(NDIR)传感 器减少的长度和相比于热导率传感器增加的灵敏度，下面将详细讨论。 在一些例子中，环境传感器设备的尺寸可以从非分散型红外线传感器的 厘米规模减少到CMOS晶圆的微米规模。

在一个举例的实施例中，环境传感器包括结合了单独的非分散型红 外线光程和单独的滤光器到一个元件的光学元件。该单一元件是具有接 触到被测量气体的空腔的法布里-珀罗(Fabry-Perot)校准具/干涉仪 (FPE)。在一个例子中，这实现了FPE的高的环境物质(例如气体)的灵敏 性，但是使用了比非分散型红外线传感器更小的封装尺寸。这个单一元 件组合替换了NDIR的长管道和单独的滤光器。

说明书中定义了标准具是干涉仪的一种，其中该标准具的反射面之 间有固定距离，而干涉仪的反射面之间也有固定的或者可调的距离。举 例的实施例中包括干涉仪设备和标准具设备。

在一个举例的实施例中，法布里-珀罗干涉仪或标准具由具有两个 反射面的透明板或者二个平行的高反射镜组成。在这样的举例的实施例 中，使用透明板或者二个反射面的结构是标准具，两个平行的高反射镜 做成干涉仪。在举例的实施例中，法布里-珀罗干涉仪是一对两个部分反 射玻璃光学平面，该两个平面相距几微米到几厘米，它们互相用反射面 互相面对。在另一个实施例中，法布里-珀罗标准具使用具有二个平行的 反射面的单一板。

在一个举例的实施例中，提供了一种干涉仪设备，包括：具有第一 反射率的第一面；具有第二反射率的第二面；空腔，该空腔在干涉仪内 并被安排在第一面和第二面之间，该空腔具有开口，该开口被配置为接 收物质；电磁源输入区域，被配置为接收电磁信号；和电磁检测器输出 区域，被配置为输出响应于所述空腔内物质而调制的电磁信号。

在一个举例的实施例中，所述第一面、第二面和空腔形成法布里- 珀罗标准具。

在一个举例的实施例中，所述电磁源输入区域和检测器输出区域位 于干涉仪的相对的两个面上。

在一个举例的实施例中，所述电磁源输入区域和检测器输出区域位 于干涉仪的同一个面上。

在一个举例的实施例中，所述空腔的该同一个面的反射率低于相对 面的反射率。

在一个举例的实施例中，所述电磁源，被耦合以提供电磁信号到电 磁源输入区域；和电磁检测器，被耦合以接收来自电磁检测器输出区域 的调制的电磁信号。

在一个举例的实施例中，所述开口被配置为接收来自外界环境的以 下至少一种：气体、蒸汽、液体、分子或者粒子。

在一个举例的实施例中，所述电磁信号频率是在电磁波谱的红外部 分之内。

在一个举例的实施例中，所述干涉仪包括基于第一面和第二面对应 的反射系数的光程。

在一个举例的实施例中，所述第一个或第二个面的至少一个包括基 于该面内的一组介质膜的反射系数。

在一个举例的实施例中，所述第一面反射电磁信号的第一部分到第 二面，第二面反射电磁信号的第二部分到第一面。

在一个举例的实施例中，所述干涉仪被耦合到以下至少一个：移动 设备、智能手机、平板电脑、智能手表、可穿戴计算装置、汽车设备、 烟道、室内空气质量监控器、温室、危险场所、漏气检测系统、填埋区 监控装置、酒精呼吸分析仪、麻醉设备、分光镜设备、市民基础设施或 者建筑物。

在一个举例的实施例中，提供了一种气体传感器，包括：具有第一 反射率的第一面；具有第二反射率的第二面；空腔，该空腔在传感器内 并被安排在第一面和第二面之间，该空腔具有开口，该开口被配置为接 收物质；电磁源，被耦合以提供电磁信号到第一面和第二面中的至少一 面；和电磁检测器，被耦合以接收来自第一面和第二面中的至少一面的 响应于空腔内物质而调制的电磁信号。

在一个举例的实施例中，提供了一种用于制造干涉仪的方法，包括： 制造具有第一反射率的第一面；制造具有第二反射率的第二面，该第二 面相对于第一面放置，以便在干涉仪内部形成空腔；制造干涉仪内的开 口，该开口被配置为接收物质；制造干涉仪上的电磁源输入区域，该电 磁源输入区域被配置为接收电磁信号；和制造干涉仪上的电磁检测器输 出区域，该电磁检测器输出端区域被配置为输出响应于所述空腔内物质 而调制的电磁信号。

在一个举例的实施例中，布置第一面、第二面和空腔形成法布里- 珀罗标准具。

在一个举例的实施例中，所述制造开口包括：在第二面内制造开口， 该开口被配置为接收物质。

附图说明

图1是校准器/干涉仪设备的第一个例子；

图2是校准器/干涉仪设备内分层结构的例子；

图3是校准器/干涉仪设备的第二个例子；

图4是校准器/干涉仪设备的第三个例子；

图5是制造校准器/干涉仪设备时产生的中间结构的例子；

图6是具有整数(N)层结构的校准器/干涉仪设备的对比图；

图7是用于制造校准器/干涉仪设备的方法的例子。

具体实施方式

图1是标准具/干涉仪设备100的第一个例子。在多个实施例中， 干涉仪100是嵌入到以下任意设备内部的：移动设备、智能手机、平板 电脑、智能手表、可穿戴计算装置、汽车设备、烟道、室内空气质量监 控器、温室、危险场所、漏气检测系统、填埋区监控装置、酒精呼吸分 析仪、麻醉设备、分光镜设备、市民基础设施、建筑物或者家庭自动化 建筑自动化应用(HABA)。

干涉仪100包括具有第一反射率104(例如R～1)的第一面102和具 有第二反射率108(例如也是R～1)的第二面106。放置第一面102、第二 面106以形成空腔110。空腔周围的镜面堆栈可以有，但是不局限于， 平面-匀称的实现。空腔110中的开口112能够接收物质114(例如二氧 化碳气体)。物质114是来源于标准具100外部的环境。在各个应用中， 收到的物质114可以是气体、蒸汽、液体、一组分子或者一组粒子；然 而，作为结果的波长与器件与器件100设计(材料、层厚度等)是根据需 被检测的物质而调整的。因而，设备100提出了可小型化吸收光谱的设 备。依靠该物质114和该物质114的吸收光谱，可测量/混合稀释剂到物 质114中以便使作为结果的吸收特性可以通过设备100测量。

第一面102包括电磁源输入区域116，用于接收来自电磁源120的 电磁信号118。在一个例子中，该电磁信号118是红外信号，该电磁源 120是红外源。第二面106包括电磁探测器输出区域122，输出调制后的 电磁信号124到电磁检测器126。因而该电磁信号118穿过该干涉仪100， 并经由该物质114的频率吸收特性而调制。

实施例的干涉仪100相对于电磁源120和电磁检测器126可以有各 种距离。在一个实施例中，物质114只是在干涉仪100内部，并不接触 电磁源120或者电磁检测器126。在另一个实施例中，物质114在干涉 仪100内部并且其也与电磁源或者电磁检测器126接触。

空腔110的谐振波长(λ)是与需被测量的物质114的吸收波长相匹 配的(例如对于二氧化碳气体，λ接近于4.3微米)。一般地说，空腔的 谐振频率是样品气体114的半波长的整数(n)倍(＝n*λ/2)。第一面102， 第二面106(例如镜面)有高反射率(R)和低吸收率(k)(例如复折射率的 虚数部分)。来自电磁源120的入射光包括穿过干涉仪100的所涉的吸收 波长。干涉仪100自己作为进入的光的谐振器，并延长作为结果的光程 的有效长度。

当干涉仪100的第一面102，第二面106(例如镜面)有高反射率， 那么空腔内部储存更多的能量，电磁信号(例如光)通过物质114分子被 数倍的吸收(例如二氧化碳气体)。因此干涉仪100的灵敏度是与其第一 面102和第二面106的反射率有关的。当干涉仪100的第一面102，第 二面106(例如镜面)的反射率越高，减幅越低，就能能得到更长的作为 结果的实际的光程。因而，使用干涉仪100，气体传感器的总尺寸可以 减小到微米范围。

在一个例子中，干涉仪100可以封装在开口空腔封装内，例如带金 属盖的LGA，并通过特定用途集成电路(ASIC)控制。

图2是标准具/干涉仪设备100内分层结构200的例子。在一个例 子中，为达到高反射率(＞99％)和低吸收，干涉仪的第一面102，第二面 106(例如镜面)是由交错的介电双层(也就是形成布拉格反射器)形成， 该双层由几乎相同的交替排列的高折射率层和低折射率层的交替层组 成。该双层的数目对应于第一面102，第二面106的反射率。第一面102， 第二面106的反射率(例如镜面)与高-低折射率比率有关。

好的分层结构200由具有三个以上的双层的硅和二氧化硅的交替层 或者锗和二氧化硅的交替层形成，应用于红外(IR)二氧化碳气体感测 应用。这些介电材料的分层构造200在所涉的二氧化碳的波长下具有高 反射率和低吸收性。

在另一个实施例中，第一面102和第二面106可以由金属镜面形成， 然而，金属镜面具有反射率，但其吸收性也高，这就导致了低灵敏度。

在一个例子中，介电层202、204包括奇数的层，其具有高指数层 206作为介电层202、204的第一层和最后一层。每个层的光学厚度大约 为波长的四分之一，每个层的初步反射系数符号交替变化。

在一个实施例中，具有锗-二氧化硅相交替的三个层，使得干涉仪 100能基于物质114(例如二氧化碳)的浓度来调制电磁信号124。其具 有与大非分散型红外传感器相当的精确度。硅-二氧化硅的三个的双层结 构有相似的高灵敏度。其他的实施例可以使用二氧化钛和硅二氧化物分 层构造200。

在一个实施例中，干涉仪100调谐到谐振波长λ＝4.25微米或者 4.3微米，包括3-堆栈双层的多晶硅(n＝3.6，n是其中多晶硅的折射率) 和二氧化硅(n＝1.5，其中n是二氧化硅的折射率)的第一面102和第二 面106。第一面102、106包括多晶硅层等于λ/(4*n_poly_Si)＝0.30μm 和二氧化硅层等于λ(4*n_SiO₂)＝0.71μm。空腔110(例如中心缺口 等于(1/2)λ＝2.13μm，该衬底的厚度为43μm。在替换的实施例中，可 以使用其他厚度的衬底，包括750μm，675μm，45μm和43μm。厚的衬 底厚度更容易制造。

图3是标准具/干涉仪设备的第二个例子。干涉仪300包括具有第 一反射率304(例如R＝1，最大反射率)的第一面302和具有第二反射率 308(例如也是R＜1，以为光路提供入口与出口)的第二面306。放置第一 面302、第二面306以形成空腔310。空腔310中的开口312能够接收物 质314(例如二氧化碳气体)。物质314是来源于标准具300外部的源。

在这个例子中，第一面302具有第一反射率304(R接近或者等于1)， 包含电磁信号118，因此最小化来自第一面302的电磁信号118的泄漏。 第二面306具有反射率308(例如R＜1)，包括电磁源输入区域316用于接 收来自电磁源120的电磁信号。第二面306也包括电磁检测器输出区域 318来向电磁检测器126输出调制后的电磁信号124。如前所讨论的，在 一个例子中，该电磁信号118是红外信号，该电磁源120是红外源。

在一个实施例中，干涉仪300相对于电磁源120和电磁检测器126 可以有各种距离。在一个实施例中，物质314只是在干涉仪100内部， 并不接触电磁源120或者电磁检测器126。在另一个实施例中，物质314 在干涉仪300内部并且其与电磁源或者电磁检测器126接触。

图4是标准具/干涉仪设备400的第三个例子。第三干涉仪400是 第二干涉仪300的变形，干涉仪400包括具有非常高的反射率(例如R＝1) 的第一面402和具有比第一面反射率低的反射率(例如R＜1，以提供光 路的入口与出口)的第二面404。和具有第二反射率308(例如也是R＜1， 以为光路提供入口与出口)的第二面306。在各个实施例中，第一面402 是形成在衬底405上，可以由以下至少之一进行制造：硅衬底、聚合物、 蓝宝石衬底、陶器衬底或者碳基衬底。基于对于所涉的波长衬底405需 要多透明来选择衬底405。

放置第一面402、第二面406以形成空腔406，空腔406具有高度 (d)约等于吸收波长(λ)，与所涉收到的物质相关。第二面406包括输 入开口408用来耦合包含所涉物质的气体到空腔406，和输出开口408 用来允许干涉仪400和空腔406外部的环境之间的气体再循环。

第二面404包括电磁源输入区域412和电磁检测器输出区域414， 用于使空腔406被电磁源照明和使电磁检测器126检测调制后的电磁信 号124。

在这个例子中的干涉仪400中，衬底405是晶圆硅，它的上面沉积 具有锗的高折射率材料的3-堆栈(或者是具有硅的高折射率材料的3- 堆栈)和具有二氧化硅的低折射率材料以形成第一面402。第二面404 也是类似的形成，除了使用低折射率材料。第一面402、第二面404的 厚度，堆叠层的数目，光穿过干涉仪的角度(θ)和空腔406的大小均影 响干涉仪400检测所涉物质的灵敏度。根据空腔406的大小和所涉物质 的吸收波长来选择角度(θ)。如果需要不同的角度(θ)，那么空腔406 的大小是可以调节的。

图5是制造标准具/干涉仪设备100、300、400时产生的中间结构 500的例子。在这个结构500中，只画了制造唯一一个双层的图。第一 个中间结构502显示了第一镜面堆栈和牺牲氧化物的沉积。第二中间结 构504显示了#1掩模图形化牺牲氧化层。第三个中间结构506显示了第 二镜面堆栈和第二镜面堆栈的#2掩模图形化的沉积。第四中间结构508 显示了硅保护层的沉积。第五中间结构510显示了#3掩模图形化保护层。 第六中间结构512显示了牺牲层刻蚀。

图6是具有整数(N)层结构的标准具/干涉仪设备100、300、400的 对比图600。曲线602到612显示了通过各自具有六对或者更少对的介 电双层的干涉仪计算调制后的电磁信号124(例如该电磁信号118的传 输的百分比％)用于不同的二氧化碳浓度。图6中的图例614反映了举例 的N的不同值对应的计算出的光传输百分比的曲线。

曲线602了显示具有六介电双层的干涉仪100的计算的调制后的电 磁信号124。曲线602接近对应于非分散型红外其他传感器的曲线616 的光传输。因而，当在干涉仪100的第一面102和第二面106使用足够 多层的介电双层的时候，可以达到与传统非分散型红外传感器相似的、 或许比传统非分散型红外传感器更好的光强的减值。

在各个其他的实施例中，随着N增加，空腔110的谐振峰值(d＝λ /(2*N))变窄。并且随着N增加，光传输的减少在不同的二氧化碳浓 度下变得更重要。在某些例子中，中央空腔110厚度的选择比介电双层 的厚度变化对于光透射曲线有更大的影响。介电双层的吸收是最小限度 的。

图7是用于制造校准器/干涉仪设备的方法的例子。方法步骤的顺 序是可以讨论的，并非是限定的，其不限定其他例子中步骤的顺序。另 外，一些实施例中，一些步骤是同时实现的。

第一个举例的方法，开始于步骤702，通过制造具有第一反射率的 第一面。在704，制造具有第二反射率的第二面，该第二面相对于第一 面放置，以便在干涉仪内部形成空腔。在706，制造干涉仪内的开口， 该开口被配置为接收物质。在708，制造干涉仪上的电磁源输入区域， 该电磁源输入区域被配置为接收电磁信号。在710，制造干涉仪上的电 磁检测器输出区域，该电磁检测器输出端区域被配置为输出响应于空腔 内物质而调整的电磁信号。

该方法可以增加以下的额外的步骤。该添加步骤包括：712，放置 第一面、第二面、空腔以形成法布里-珀罗干涉仪/校准器；和714，在 第二面内制造开口，该开口被配置为接收该物质。

前述步骤的顺序可以变换，除了那些已经明确描述的特定顺序。并 且，本领域的技术人员应当知晓应用在一个实施例中的元件，也可以以 各种方式结合到其他的实施例中。

在说明书中，实施例已经按照选定的一套细节进行了描述。然而， 本领域技术人员应当知晓其他的实施例中可能加入不同的选定的细节。 希望能用权利要求覆盖所有的实施例。