黑硅红外光源传感器系统的设计

黑硅红外光源传感器系统的设计
张春恒;彭旭锋;郇弢;刘文怡
【摘要】针对目前气体传感器灵敏度较低的问题,设计了一种利用黑硅作为辐射层并且连接放大电路和控制芯片的红外光源传感器系统.首先介绍了红外光源的制造和仿真以及新型的纳米材料黑硅,黑硅的引入可以使光源的辐射效率提高40%;然后完成了传感器系统外围电路的设计,包括电源驱动电路、二级滤波放大电路和中央处理器等;最后对所设计的系统进行了测试,测试结果表明,该系统能有效提升气体传感器的敏感度,符合设计要求.
【期刊名称】《光通信研究》
【年(卷),期】2017(000)001
【总页数】4页(P47-50)
【关键词】黑硅;辐射层;红外光源;气体传感器
【作者】张春恒;彭旭锋;郇弢;刘文怡
【作者单位】中北大学电子测试技术国防重点实验室,太原 030051;北京宇航系统研究所,北京 100076;首都航天机械公司,北京 100076;中北大学电子测试技术国防重点实验室,太原 030051
【正文语种】中文
【中图分类】TN212
目前国内市场上有多种检测气体的传感器,有的是基于光学原理,有的是基于电化学原理。

市场调查发现,大多数传感器敏感度较低,且核心器件大多购买于国外。

本文
设计了一种利用黑硅作为红外光源辐射层材料来提高灵敏度的红外传感器系统,还可通过外围电路来放大采集到的信号;阐述了红外光源的制造及仿真,外围电路的设计,并利用配气装备对系统进行测试,测试结果表明,系统的平均响应时间在20 s以内,探测精度在体积分数的0.04%以内,有效地提高了气体传感器精度。

1.1 红外光源的制造
红外光源的制造分为稳态分析、加热电阻材料选择、支撑层材料选择、辐射区发射率增强设计和结构设计等。

(1)稳态分析
本设计利用电阻悬空的方法来降低红外光源的功耗,提高光源的热响应速度[1],具体方法是将硅基底上的发热电阻释放掉并加入支撑层,以有效降低硅基底的热量[2]。

令EG为辐射功耗,则有
式中,A为光源有效辐射区的面积;σ为斯特藩-玻尔兹曼常数,且有σ=5.67×10-
8W/m2;ε1和ε2分别为辐射区上、下表面的辐射率;T为光源有效辐射区的温度;T0为环境温度。

图1所示为光源热传导模型,支撑梁负责辐射区和硅基底之间的热量传输。

假设热量仅沿支撑梁l方向传输,根据平壁导热理论[3],光源的总功耗为
式中,n为支撑梁个数;ki为支撑层第i层材料的热导率;di为第i层材料的厚度;w为支撑梁的厚度;l为支撑梁的长度;h为对流系数,一般取值为5～25 W/(m2·K),本文取5 W/(m2·K)。

光源发射的有用红外光功率为正面辐射的功率,因此辐射效率可表示为
(2)加热电阻材料的选择
制备红外光源的常用材料有熔点较高的铂和钨[4],但在表面光滑的情况下,会导致两种材料的发射功率变小,影响光源的辐射效率。

多晶硅是一种最常用的加热电阻材料,其在600℃以下工作稳定,但温度超过600℃时,会导致晶粒再次结晶和杂质重新
分布,从而影响加热电阻的电阻率值,进而影响光源的稳定性。

为了保证红外光源的
的辐射效率,选用多晶硅作为加热电阻材料,同时将辐射区温度限制在600℃以下。

(3)支撑层材料的选择
红外光源是通过支撑层支撑加热电阻使其悬空从而形成电阻悬浮的结构,对于这种
悬浮结构,薄膜应力是影响光源可靠性的一个关键因素。

SiO2和Si3N4是两种常
见的悬浮结构的材料,在常规工艺条件下制备的SiO2薄膜具有压应力,而Si3N4薄膜具有张应力[5],因此为了平衡悬浮薄膜中的应力,可选择SiO2+Si3N4作为复合
支撑层。

(4)辐射区表面发射率的增强方法及结构设计
红外光源辐射区表面发射率的高低可以影响其响应速度和辐射效率。

由于物体表面吸收红外光的能力等于其发射红外光的能力,提高辐射区表面发射率相当于提升辐
射区对红外光的吸收率。

黑硅作为一种新型低反射率的纳米材料,在近紫外～近红
外波段(0.25～2.5μm)表现出了接近黑体的全吸收特性[6]。

本设计通过等离子刻蚀的方法来制备黑硅,并将黑硅覆盖在加热电阻之上,以此来增加红外光源辐射区的表
面发射率。

红外光源的结构如图2所示,图3所示为工艺流程图。

辐射区从下至上依次为支撑层、加热电阻层和黑硅辐射层,并且采用电阻层和辐射层分离的设计,两层之间用一
层很薄的SiO2隔离,这层SiO2可作为对多晶硅加热电阻层进行离子注入时的屏蔽层。

该结构的总体尺寸为3 000μm×3 000μm;辐射层尺寸为1 800μm×1
800μm;黑硅厚度为8 800Å;支撑层中SiO2厚度为6 700Å,Si3N4为2 200Å;铝与加热电阻接触区宽度为75μm,加热电阻层中多晶硅厚度为4 600Å。

1.2 红外光源的仿真
利用有限元分析软件Ansys Workbench14.5对所设计的红外光源结构进行仿真。

选择边长为75μm的正四面体网格作为红外光源模型。

由于辐射区有黑硅存在,因
此发射率设置为0.8,铝电极表面的发射率设置为0.1,其余部分的发射率设置为0.5,对流系数设置为5 W/(m2·K),左右铝电极上分别加载3.3和0 V的电压。

图4所示为辐射区SEM(扫描电镜)图。

图5 所示为求解后光源辐射区温度分布图,辐射区温度在830～920 K(550～640℃)之间,与理论设计的600℃的辐射区温度一致。

红外传感器系统的框图如图6所示。

外围电路包括电源驱动电路、二级滤波放大电路和中央处理器等,中央处理器集成显示和报警功能。

2.1电源模块设计
由于驱动中央处理器和红外光源都需要3.3 V的电压,因此需要设计一个5 V转3.3 V的电压转换模块。

电压转化芯片选用HT7533,它是利用CMOS(互补金属氧化物半导体)技术生产的三端口低功耗、低电压偏置和高电流输出的稳压芯片。

电压转换电路如图7所示。

2.2 二级放大电路设计
由于红外光源输出的电流信号比较微小,因此采用结型场效应管将输出的微小电流信号转换为电压信号。

参杂的电压输出信号如图8所示,对其进行频谱分析后可以看出所需信号在3 Hz左右。

需要一个带通滤波器来消除这些噪声。

二级滤波放大电路如图9所示。

经过二级放大电路处理的信号如图10所示。

可以看出,设计电路有效滤除了噪声。

2.3 中央处理器
选用单片机C8051F040作为中央处理器[7],将经过二级放大电路处理后的信号输入中央处理器内部,通过处理器内部的模/数转换模块处理后,再通过特定的算法计算就能得到气体的浓度值。

该处理器不仅要处理从红外光源输入的信号,还要驱动数码管和声光报警装置等。

3.1 红外传感器系统的标定
红外传感器系统标定的关键是气体的浓度是否达标,本文选择北京金迅电子有限公司生产的计算机自动配气系统RS2000-A,其采用目前最先进的配气技术,具有精度高、成本低和效率高等特点。

根据配气系统的MFC(质量流量控制器)值决定将装有甲烷和氮气的钢瓶连接配气系统的2管道和4管道。

准备10组红外传感器系统进行标定,并记录每一次浓度变化所对应的相对吸收率Fa值,共记录10次。

去除最大值和最小值,对剩余的8组取平均值。

具体过程如下:
(1)打开配套软件,选定2、4管道分别作为甲烷和氮气的传输管道,并设置好起始浓度和终止浓度。

(2)将需要标定的10组传感器放入配气箱中。

(3)通过软件控制甲烷的浓度比,将甲烷的输入浓度依次设置为0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%。

每一个节点保持一段时间,待气体与红外传感器系统充分反应后,显示的数值不再变化时,记录所对应的Fa值。

(4)重复上述过程,总共记录10次,对每一个甲烷浓度节点对应的Fa值作如上述去掉最大最小值取平均值的处理,得到一个关于甲烷浓度和Fa值的关系表,并对其进行拟合[8]。

所得关系曲线如图11所示。

3.2 红外传感器系统的性能测试
将标定得到的数值传入控制芯片中,就得到了探测气体浓度与封装后红外传感器系统显示浓度之间的关系。

这时再进行包含反应时间测试和精度测试的性能测试。

(1)系统反应时间测试
采用5组红外传感器系统记录平均值的方法进行反应时间测试。

实验选取的甲烷浓度为1.5%,当红外传感器系统显示浓度达到1.5%时停止计时,所得数据如表1所示。

通过观察发现,除了第2组的时间偏差较大,其余4组的红外传感器系统反应时间均
在20 s以内,反应时间较短。

(2)系统精度测试
系统精度测试的方法大致与标定时的方法相同,只是将相对吸收率改为探测气体的浓度。

测试结果如图12所示。

实验对10组红外传感器系统的数据进行随机记录,并求其理论差值。

由图可知,传感器的测量误差在体积分数的0.04%以内,具有较高的灵敏度。

利用新型的纳米材料黑硅作为红外光源的辐射层,设计了传感器的外围电路,实现了气体传感器灵敏度的提高。

利用配气系统RS2000-A对红外光源传感器系统进行标定和性能测试,实验结果表明,系统平均响应时间在20 s以内,探测精度在体积分数的0.04%以内。

该系统不仅有效地提升了气体传感器的灵敏度,而且能够声光报警,使用方便。

【相关文献】
[1]Chen L,Mehregany M.Exploring silicon carbide for thermal infrared radiators[J].IEEE Sensors Journal, 2007,620-623.
[2]Chung Gwiy-Sang.Fabrication and characterization of micro-heaters with low power consumption using SOI membrane and trench structures[J].Sensors and Actuators
A,2004,112:55-60.
[3]章熙民,任泽霈,梅飞鸣.传热学[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.
[4]吴飞碟.MEMS点调制红外光源[D].上海:复旦大学,2006.
[5]周东,徐向东,王志.氮化硅的性能与应力控制[J].电子器件,2010,33(4):407-411.
[6]吴文威,徐嘉明,陈宏彦.“黑硅”表面特殊锥状尖峰结构的制备及其光学模型仿真[J].中国激光,2011, 38(6):0603029.
[7]童长飞.C8051F系列单片机开发与C语言编程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.
[8]陈敏.应用Matlab拟合传感器特性曲线[J].南京师范大学学报:工程技术版,2003,(01):45-49.。