【摘 要】
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随着智能移动终端和可穿戴设备在生物医学领域的应用,对气体传感器提出了微型化和低功耗等要求,然而现有的大多数商用非色散红外（NDIR,non-dispersive infrared）气体传感器因存在不易集成、体积大和功耗高等问题,难以满足其应用的需要。红外光源作为决定NDIR气体传感器性能的关键部件之一,直接制约了其体积、功耗和集成度等。因此研制微型化、集成度高和功耗低的红外光源是实现微型NDIR气
【基金项目】
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国家重点研发计划项目课题“低成本硅基红外热电器件及集成技术研究”（2019YFB2005702）；
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随着智能移动终端和可穿戴设备在生物医学领域的应用,对气体传感器提出了微型化和低功耗等要求,然而现有的大多数商用非色散红外（NDIR,non-dispersive infrared）气体传感器因存在不易集成、体积大和功耗高等问题,难以满足其应用的需要。红外光源作为决定NDIR气体传感器性能的关键部件之一,直接制约了其体积、功耗和集成度等。因此研制微型化、集成度高和功耗低的红外光源是实现微型NDIR气体传感器的关键环节之一。本文旨在研制一款与互补金属氧化物半导体（CMOS,complementary metal oxide semiconductor）工艺兼容、性能优良的低功耗硅基红外光源,其主要研究内容如下:（1）基于应用的需要和硅基热辐射红外光源的研究进展,依据红外热辐射和传热学基本理论,分析并设计了红外光源器件的材料与结构。使用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics对其进行了电-热-力耦合仿真,对红外光源温度分布、应力分布、电功耗等仿真结果的分析表明,采用非等间距蛇形的加热丝走线方式以及辐射增强涂层能够使设计的硅基红外光源获得较好的性能。（2）根据上述优化的设计结构,制造了硅基红外光源芯片。采用工艺稳定、成品率高的标准CMOS工艺完成了内嵌钨加热丝的氧化硅/氮化硅多层介质薄膜的制备。在Post-CMOS工艺流程中,进行了金电极的制备、薄膜的释放和红外辐射增强层的制作。（3）对制备的硅基红外光源芯片进行了电热特性测试和红外辐射特性测试,验证了仿真结果的准确性,评估了红外光源的各项性能指标。在加热功耗138 m W时,该硅基红外光源的平均温度约469℃,热响应时间为41 ms,在40 Hz的调制频率下,仍有58%的调制深度,可适用于低功耗的高频脉冲模式。同时红外辐射增强层的引入,对其红外辐射功率和红外辐射强度有良好的增强效果。此外为了检验其在NDIR气体传感器中的实际应用性能,创新性地研制了一种用于提升气体检测灵敏度的双层气室,并基于此研制了一套用于CO2气体检测的NDIR气体检测系统,进行了CO2的气体测试,最终实现了一种可用于NDIR气体传感器对人体呼出CO2气体浓度检测的硅基热辐射红外光源,其辐射区表面涂敷有红外辐射增强层且与标准CMOS工艺兼容。本文研制的硅基热辐射红外光源性能指标在国内外同类设计中处于较为良好的水平,具有功耗低、尺寸小、热响应时间短、温度分布均匀和可集成度高等特点。
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