用于气体检测的非选择性NDIR阵列外文翻译资料

英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

外文翻译

题 目 用于气体检测的非选择性NDIR阵列

用于气体检测的非选择性NDIR阵列

R. Rubio, J. Santander, S. Marco , L. Fonseca, J. Fonollosa , M. Moreno .

全国微电子学中心。 巴塞罗那大学电子系

摘要：本文介绍了一种非选择性 NDIR(无色散红外)气体检测系统的微器件。该装置由两个匹配阵列组成的IR检测模块，一个滤波器和一个热电堆检测器。这些阵列（高达4x4的元件）使用CMOS兼容的材料和工艺构建在硅衬底上。大容量微加工用于构建放置热电堆的膜。过滤器阵列的元件是制造不同折射率的交替薄膜，其作用与具有不同芯厚度的法布里 - 珀罗结构相似。传输的滤波器峰值没有被调整用于检测任何特定物质：它们配置非选择性通用滤波器阵列（400-4000cm-1），使得信号处理和模式识别技术是必需的。这两种器件已经被制造和表征，并且已经使用倒装芯片技术成功地连接。这些设备的测量特性已被用于构建光学仿真工具，允许在操作条件下评估整个NDIR系统的行为。

关键词：NDIR，光学气体检测，热电堆，薄膜滤波器，倒装芯片

1. 介绍

非分散红外气体检测系统基于某些波长下给定物质的辐射吸收检测^[1]。尽管光吸收和气体浓度之间的关系表现出非线性行为（Lambert-Beer定律），但光学测量通常比固态气体传感器更可靠。 通常的NDIR阵列系统将每个传感器用于检测单一物质。 因此，每个传感器具有选择目标物质的光谱吸收区域的滤光器。

我们提出了一种基于非物质取向滤波器阵列的非选择性光学检测系统。 因此，我们结合了光学测量系统的优点，即老化和漂移效应可以通过参考测量校正，以及组成电子鼻的非选择性气体传感器阵列的通用性。 系统的仿真用于评估其光学效率和区分不同气体混合物的能力。 仿真工具可以提供所有系统元件的实际测量特性，以使其变得现实。 气相色谱已经使用Hitran数据库进行了模拟^[2]。

1. NDIR系统

NDIR系统的设计旨在实现低成本的微机械设备。 非选择性过滤器使得该设备能够广泛地扩大可能的应用范围：燃烧气体，空气质量测量，食品腐败分析等。 测量系统结构示意图如图1所示。红外线源产生的辐射经过气室, 到达探测器阵列。每个滤波器的权重不同的不同部分的频谱, 因此堆阵列产生一个电压模式。

图1 气体检测系统架构

红外源是商业设备，而过滤器和热电堆阵列已经在国家微电子中心（CNM-IMB）的洁净室设施中制造。 热电堆和过滤器阵列通过形成单个检测器模块的倒装芯片技术结合在一起^[3]。 器件表征已经在系统运行仿真中完成和使用。

1. 热敏探测器

热电堆是基于塞贝克效应的热辐射探测器^[4]。它们由几个热电偶的串联组合组成，这些热电偶将冷端和热连接点之间的温差转换为电压输出。在以前的工作中，研究了通过使用铝和掺杂多晶硅对单个热电堆检测器的热电偶的散装微加工工艺的设计和制造^[5，6]。现在我们提出按照相同的原理在单个膜上构建的热电堆阵列的设计和制造。每个单独的热电堆传感器结构如图2所示。

图2 个别热电堆结构

整个矩阵（图3）建立在由散装硅的各向异性湿法蚀刻定义的单个氧化硅/氮化硅方形膜（2.1times;2.1mm²）上。 为了确保每个检测器存在冷热接头，我们在绝缘膜上的相同工艺中限定了吸收体和肋条。 这些深度为6mu;m的结构由硼重掺杂定义，使得它们不受各向异性蚀刻的影响。 肋宽为120mu;m，与硅体接触并且因此起到散热器的作用。 吸收体位于由肋骨交叉点限定的每个单个假膜的中心。 以这种方式，通过掺杂和隔离，它们通过吸收进入的辐射被有效地加热，同时肋保持在环境温度。

图3 矩阵阵列膜

使用单个检测器的一维热模型来确定元素热电堆设计的几何变量^[7，8]，以优化设备的性能参数：响应度（R）和噪声当量功率（NEP）。 制造的设计总结在表1中。

表1制造的器件的几何参数

制作两个阵列尺寸。 单个检测器尺寸对于3x3阵列为620x620mu;m²，对于4x4阵列为450x450mu;m²。 每个吸收器尺寸的热电偶数量总是最大。 为了减少热连接区域的热损失，将铝条的宽度设定为5mu;m。 为了提高响应度（允许更多数量的热电偶，从而允许更多信号的窄条纹）或NEP（降低器件电阻的宽条纹），为每个阵列考虑两个不同的多晶硅宽度。

图4 4x4热电堆阵列

制造的4x4热电堆阵列可以在图4中看到。热电堆阵列已经被热电特性表征。 测量数据和模型预测见表2。

表2设备性能参数的测量值和型号值

使用放置在吸收器中的内置加热电阻来测量装置的响应度。使用测得的器件电阻计算实验NEP。器件特性表明与模型预测有很好的一致性。实际上，我们可以看到面向改进响应度的设计如何具有更高的参数值。与NEP导向的设计相同。这些值稍后用于系统的仿真。

1. 过滤阵列

表3过滤器结构

过滤器阵列通过组合具有不同折射率的薄膜在硅衬底上构成，作为由两个反射镜组成的法布里 - 珀罗结构。 过渡峰位于由附加带通滤光器界定的感兴趣区域（400-4000cm^-1）中。制造了两种不同的结构：非对称和对称镜。预期对称镜结构将产生较薄的透射峰，并具有较好的对比度。过滤器的堆叠组成如表3所示。

二氧化硅膜的厚度决定了透射光谱中峰的个数和位置。对于每个数组元素, 此厚度由1到8micro;m 线性增加。在对称镜结构中,二氧化硅薄膜用于光学上将多晶硅与硅衬底分离。图5所示为一个3x3数组的对称镜滤镜的测量透过。利用红外光谱技术显微镜获得了不同滤光片的光谱, 使其聚焦于每个阵列单元。图5显示了一个虚构的设备。

使用最少数量的掩模进行每个元件的不同二氧化硅厚度的定义过程。四个掩模及其相应的氧化物蚀刻以适当的二进制方式组合，导致线性分布的厚度集（24=16），足以创建直到4times;4阵列所需的元素。

图5 3x3非选择性滤波器阵列的9个元件的透射率

图6 4x4元素滤波器阵列

1. 模拟

为了评估系统的能力, 在最后组装之前对系统进行了第一次评估。对三种气体:CO、CO₂和CH₄的测量进行了模拟。对该系统进行了仿真, 并对其进行了测量。系统的其余部分被考虑如下:

红外线辐射源

辐射源是一种商用器件(离子光学 refelctIR-P1C)。该装置所产生的辐射谱被认为与在同一温度下加热的理想黑体 (850ordm;C) 成正比。从板条定律^[1]计算了光源的光谱辐照度,使用了温度t(850ordm;C)和源发射率ε(0.7)的一致值。使用的 ir 源的有效面积是2mm²。

电力传输

制造商提供的ir源的峰值功率(theta;_1/2=30度)的50% 的全角允许我们估计源的方向性参数(假定为朗伯分布):

(1)

使用放置在吸收室两端的两个透镜，以增强动力传递。 该模型仅考虑腔室的入口和入口之间的色散损耗，假设一旦在内部，光仅受气体吸收的影响。 使用由制造商提供的透射率值来考虑透镜传输引起的功率损耗。

在从透镜（2r）相对于源所持有的立体角上的部分积分获得在特定光程长度L1=10cm之后到达腔室Phi;D的入口的发射功率

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[25090]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word