集成MEMS-CMOS的气体传感器芯片及制备方法

技术领域

本公开的实施例属于气体传感器技术领域，具体涉及一种集成MEMS-CMOS的气体传感器芯片及制备方法。

背景技术

非分散红外（NDIR）气体传感器是一种利用红外线吸收原理，通过检测环境空气中特定气体分子对特定波长的红外辐射的吸收来实现气体成分检测的一种传感器。NDIR气体传感器主要由光源、样品室、光谱滤波器、探测器等组成。传感器将环境空气通过样品室，样品室中经过红外光源照射的气体分子会对特定波长的红外辐射进行吸收，被吸收的红外辐射量与气体浓度成正比。随后，传感器使用光谱滤波器选择出感兴趣波长，使其只能到达探测器。探测器可以测量到被吸收的红外辐射强度，进而反映出气体浓度值。

NDIR红外气体传感器是利用不同气体具有自己独特的分子结构，对红外光具有特定吸收谱这一特性来实现的，也即是不同的气体对某一特定波段的红外光具有吸收能力。而这个特定波段红外光就称为该气体的红外吸收峰，不同的气体的红外吸收峰是不一样的，即使在混合气体环境中各气体之间的红外吸收也不会相互干扰。这种性质不会因外界条件的改变而改变，某一待测气体吸收的能量大小与该气体在红外光区内的浓度有关，浓度越大吸收能量越多。当红外光通过气体时，在相应频率处就会产生能量衰减，而能量的衰减程度又与气体浓度大小有关，通过分析红外光的衰减程度即可推算出待测气体浓度。待测气体对红外光的吸收服从朗伯-比尔定律。NDIR气体传感器就是利用这一特性来对特定气体浓度进行定性和定量分析。

相比于其他传感器，NDIR气体传感器具有检测精度高、响应速度快、稳定性好、抗干扰性强等优点，并且可以检测多种气体成分。因此，NDIR气体传感器广泛应用于空气质量检测、工业排放监测、医疗诊断等领域。

行业内NDIR气体传感器探测器中的芯片一般需要配合外购的特定波段的滤光片进行特征气体的检测，但其存在如下问题：1、检测灵敏度低的问题；2、外购的滤光片需要与气体芯片进行TO封装，导致传感器尺寸大，不方便客户安装使用，且器件的一致性不可控；3、不能对不同种类气体浓度的检测；4、气体浓度检测的抗干扰性差。

因此，如何解决上述问题成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本公开的实施例旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种集成MEMS-CMOS的气体传感器芯片及制备方法。

本公开的实施例的第一个方面，提供一种集成MEMS-CMOS的气体传感器芯片，包括：

所述芯片包括芯片本体；所述芯片本体包括半导体结构层及集成于所述半导体结构层内的CMOS器件结构和MEMS器件结构；

所述MEMS器件结构包括形成于所述半导体结构层的若干热电偶对，所述热电偶对包括冷端热电偶对和热端热电偶对；所述热端热电偶对设置于所述芯片本体中心热端处；

所述冷端热电偶对一冷端热电偶作为正极与所述CMOS器件结构的漏极连接，所述冷端热电偶对另一冷端热电偶作为负极与所述CMOS器件结构的P+接触GND端连接；所述CMOS器件结构的栅极与外围电路的多路复选器连接；其中，利用所述导线层分别将所述负极和所述P+接触GND端连接，及将所述栅极与外围电路的多路复选器连接。

可选的，所述半导体结构层包括衬底和层叠于所述衬底上的支撑层、氧化层和钝化层；

所述CMOS器件结构包括形成于所述衬底的P-well结构，及源极、栅极、漏极和P+接触GND端。

可选的，所述氧化层厚度范围为0.01~10um，其材质包括氧化硅。

可选的，所述钝化层厚度范围为0.01~10um，其材质包括氮化硅。

可选的，所述导线层的材质包括铝。

进一步的，还包括：

硅透镜阵列结构，具有透镜阵列；所述硅透镜阵列结构与所述芯片本体上表面集成连接。

进一步的，还包括：

谐振腔式阵列结构，设置于所述芯片本体的下表面；所述谐振腔式阵列结构形成有凹坑阵列；

所述芯片本体的衬底形成有背腔；其中，所述凹坑表面设有反射层；所述凹坑与所述背腔对应设置，且所述凹坑与所述背腔共同构成谐振腔。

可选的，所述背腔呈凸型；所述背腔与所述凹坑共同构成凹凸谐振腔。

可选的，所述支撑层包括依次层叠于所述衬底第一支撑层、第二支撑层和第三支撑层；其中，所述第一支撑层用于作为所述栅极的氧化层；所述第三支撑层作为场氧湿氧层，用于所述CMOS器件结构间的电隔离。

本公开的实施例的第二个方面，提供一种集成MEMS-CMOS的气体传感器芯片制备方法，用于制备上述芯片，包括：

提供衬底；

在所述衬底上依次形成支撑层、氧化层和钝化层，以制备半导体结构层；

在所述半导体结构层上制作CMOS器件结构和MEMS器件结构。

本公开的实施例的有益效果，包括：

本公开中，将热电堆气体芯片进行CMOS-MEMS工艺集成，所设计的CMOS器件与热电堆工艺进行集成，可以创新的利用CMOS器件对MEMS热电堆气体芯片进行选择调控，进而实现阵列中不同单体对不同种类气体浓度的检测。

附图说明

图1-图8为本公开的一实施例的一种集成硅透镜的气体传感器芯片的制备工艺的流程图；

图9-图15为本公开的一实施例的一种芯片本体的制备工艺的流程图；

图16为本公开的一实施例的一种芯片本体阵列结构示意图；

图17-图23为本公开的一实施例的一种多种气体检测的阵列芯片的制备工艺的流程图；

图24为本公开的一实施例的一种集成硅透镜的气体传感器芯片结构示意图；

图25为本公开的一实施例的一种集成滤光片的硅微凹透镜、底部反射层与NDIR红外气体传感器芯片的SOC集成红外光线入射效果图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细描述。

下面结合附图和实施例对本申请的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本申请的原理，但不能用来限制本申请的范围，即本申请不限于所描述的实施例。在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个以上；术 语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。“垂直”并不是严格意义上的垂直，而是在误差允许范围之内。“平行”并不是严格意义上的平行，而是在误差允许范围之内。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

如图7-图8所示，一种集成硅透镜的气体传感器芯片，包括：

芯片包括硅透镜阵列结构10和芯片本体11。硅透镜阵列结构具有透镜阵列，硅透镜阵列结构与芯片本体上表面集成连接。

具体的，硅透镜阵列结构10包括硅基底1和若干滤光片。硅基底1具有相对的第一表面和第二表面，第一表面形成有透镜阵列。硅基底1的第二表面设置有滤光片，透镜与滤光片的位置对应设置。

硅基底1的第一表面与芯片本体11上表面集成连接，其中，透镜与芯片本体11的中心热端的位置相对应。

本公开中，通过在芯片本体11上集成滤光片，并且对滤光片载体的硅基底1上形成透镜阵列，使透镜能够汇聚外部红外光源的能量至芯片本体11的中心热端，从而提高芯片灵敏度。

一些实施例中，滤光片为窄带光谱薄膜滤光片。

一些实施例中，透镜阵列包括凹透镜阵列。

本公开中，通过在芯片本体11上集成滤光片，并且对滤光片载体的硅透镜阵列结构10上形成凹透镜阵列，使凹透镜能够有效的汇聚外部红外光源的能量至芯片本体11的中心热端，从而显著提高芯片灵敏度。

一些实施例中，参考图7，滤光片包括甲烷滤光片6、参照比对滤光片7和二氧化碳滤光片8。甲烷滤光片包括AgF薄膜或MgF

本公开中，参照比对滤光片用来做参照比对，能够进行外部环境干扰的排除。另外，选择不同的滤光薄膜材料实现同一芯片集成，可以对多种不同种类气体浓度的检测，且省去外部分立器件的TO封装。而改用芯片级的集成封装，可以缩小尺寸，便于客户安装使用。同时，因为是一体化晶圆制备工艺，工艺可控，因而集成器件的一致性可控。

参考图20-图24，一些实施例中，气体传感器芯片还包括谐振腔式阵列结构20。谐振腔式阵列结构20设置于芯片本体的下表面，谐振腔式阵列结构形成有凹坑阵列。具体的，谐振腔式阵列结构20形成有不同深度的凹坑阵列。芯片本体的衬底形成有背腔，背腔与芯片本体的中心热端位置相对应，其中，凹坑表面设有反射层，凹坑与背腔对应设置，且凹坑与背腔共同构成谐振腔。

本公开中，不同气体浓度的检测所需的红外波段不同，波长不同，进而选用的谐振腔的高度不同，本公开设置不同深度的凹坑，使其与背腔构成不同高度的谐振腔，可以实现多种气体检测。进一步，反射层的反射作用使光线在谐振腔内往返传播，使得透过的窄带滤光片的光线能量不断增强，形成自激振荡，从而进一步增加芯片中心部位对光源所散发出的微弱光强的接收及汇聚，进而增强芯片对特异性气体检测的灵敏度。

进一步，滤光片与凹坑位置相对应，且不同深度凹坑设置不同的滤光片。采用该设置可以对多种气体进行检测。

一些实施例中，凹坑包括第一凹坑117、第二凹坑118和第三凹坑119。

一个具体实例中，第一凹坑117与甲烷滤光片对应设置，第二凹坑118与参照比对滤光片对应设置，第三凹坑119与二氧化碳滤光片对应设置。

一些实施例中，参考图16和图22，背腔45呈凸型，背腔45与凹坑共同构成凹凸谐振腔13。

本公开中，背腔45的凸型面和芯片本体11的衬底底部凹型面所形成的凹凸谐振腔，能够显著使光线在谐振腔内往返传播，使得透过的窄带光线能量不断增强，形成自激振荡，进一步增加芯片中心部位对光源所散发出的微弱光强的接收及汇聚，进而增强芯片对特异性气体检测的灵敏度。

一些实施例中，参考图20，凹坑阵列包括不同深度的凹坑。

一些实施例中，凹坑深度值为1/4λ~3/4λ，其中λ为红外波段波长。

本公开中，不同深度的凹坑对应于多种不同气体浓度的检测所需的红外波段不同，波长不同，进而谐振腔的高度不同。进一步，选用不同高度的谐振腔用来形成自激振荡，增加芯片中心部位对红外光源所散发出的微弱光强的接收及汇聚。

一些实施例中，参考图12-图16和图22-图24，芯片本体11包括半导体结构层及集成于半导体结构层内的CMOS器件结构和MEMS器件结构。

MEMS器件结构包括形成于半导体结构层的若干热电偶对，热电偶对包括冷端热电偶对和热端热电偶对，热端热电偶对设置于芯片本体中心热端处。

其中，冷端热电偶对一冷端热电偶作为正极与CMOS器件结构漏极连接，冷端热电偶对另一冷端热电偶作为负极与P+接触GND端连接，栅极与外围电路的多路复选器（也称信号复用器）连接。其中，利用导线层分别将负极和P+接触GND端连接，及将栅极与外围电路的多路复选器连接。

其中，利用多路复选器（信号复用器(MUX)122）实现对气体芯片阵列进行芯片通道选择。具体的，气体传感器上集成有CMOS器件结构和MEMS器件结构阵列。其中，各MEMS器件结构对应设置不同波段滤光片，用于检测不同种类气体。CMOS器件结构利用信号复用器(MUX)122通过调控阵列中不同单体CMOS器件结构的栅极30电压来对MEMS热电堆气体芯片进行选择调控，从而对不同气体浓度的选择性探测。

具体的，芯片本体11包括半导体结构层及集成于半导体结构层内的CMOS器件结构和MEMS器件结构，半导体结构层包括衬底和层叠于衬底上的支撑层、氧化层41和钝化层44。

参考图11-图14，CMOS器件结构包括形成于衬底的P-well结构24，及源极29、栅极30、漏极31和P+接触GND端36。

一些实施例中，氧化层41厚度范围为0.01~10um，其材质包括氧化硅。

一些实施例中，钝化层44厚度范围为0.01~10um，其材质包括氮化硅。

一些实施例中，导线层的材质包括铝。

具体的，MEMS器件结构包括形成于支撑层的热电堆，热电堆包括若干热电偶对。

其中，冷端热电偶对一冷端热电偶作为正极与漏极31连接，冷端热电偶对另一冷端热电偶作为负极与P+接触GND端36连接，栅极30与外围电路的多路复选器连接。

本公开中，将热电堆气体芯片进行CMOS-MEMS工艺集成，所设计的CMOS器件与热电堆工艺进行集成，可以创新的利用CMOS器件对MEMS热电堆气体芯片进行选择调控。

一些实施例中，参考图12，支撑层包括依次层叠于衬底第一支撑层25、第二支撑层26和第三支撑层27。其中，第一支撑层25用于作为栅极30的氧化层，第三支撑层27作为场氧湿氧层，用于CMOS器件结构间的电隔离。

一些实施例中，第一支撑层25和第三支撑层27与第二支撑层26的应力反向。

具体的，对MEMS器件结构部分来说，通过第一支撑层25和第三支撑层27与第二支撑层26的应力反向，制备上述三层支撑层用以改善支撑膜层的应力。对CMOS器件结构部分来说，第一支撑层25可以作为栅极30氧化层，第三支撑层27可以作为场氧湿氧层用于CMOS器件结构间的电隔离，第二支撑层26可以用作第三支撑层27生长的阻挡掩膜层。

一些实施例中，第一支撑层25为氧化硅支撑层，第二支撑层26为氮化硅支撑层，第三支撑层27为氧化硅支撑层。

参考图1-图8，本公开的一个实施例中，提供一种集成硅透镜的气体传感器芯片的制备方法，包括：

S101、制备硅透镜阵列结构10；

S102、制备芯片本体11；

S103、集成硅透镜阵列结构10和芯片本体11；其中，硅透镜阵列结构10的透镜与芯片本体11的中心热端的位置相对应。

一些实施例中，步骤S101的制备硅透镜阵列结构10，包括：

S1011、提供硅基底1，并进行清洗和减薄处理。

一些实施例中，参考图1，硅基底1为P型双抛硅片。进一步，P型双抛硅片按照标准依次放于丙酮、无水乙醇和去离子水中分别超声5分钟，超声处理后将硅片放于热板上以100℃加热半个小时。采用上述清洗处理，可以去除硅片表面的污染物以及灰尘等颗粒。

进一步，清洗完成后进行对硅片减薄至400~600um厚度，其中，减薄后的硅片根据需要制备预设数量待用。

S1012、利用飞秒激光加工工艺对硅基底表面进行刻蚀处理，在硅基底上形成透镜阵列。

一些实施例中，将清洗减薄后的硅片（硅基底1）放置在高精度三维移动平台上，将波长为800nm，激光脉宽为100~300fs，重复频率为1~3KHz，脉冲数为100~200，激光能量的范围为50到100 nJ/cm2的线性偏振飞秒激光，并通过数值孔径为0.8的物镜（放大倍数为80倍）将激光聚焦到硅片表面。

进一步，参考图2，通过三维移动平台的移动，在硅片表面制备出一定排列方式的微孔结构阵列。具体的，通过特定位置的激光改性后，将样品在去离子水中超声处理5分钟来去除表面激光烧蚀产生并散落在样品表面的颗粒，去除表面颗粒后在硅片内部就形成初步实心凹坑阵列2。

进一步，激光改性后将具有实心凹坑阵列2的硅片放置在感应耦合等离子刻蚀系统（ICP）的刻蚀腔中，在SF6气体的等离子体环境下进行干法刻蚀。选择ICP是由于其横向与纵向刻蚀的可控性。

一些实施例中，刻蚀系统的上射频源功率以及下射频源功率可调范围分别为400~500W和200~300W，气流通量为40~100sccm。

一些实施例中，刻蚀过程包括两个阶段，首先是初始阶段的激光改性区实心凹坑阵列2的快速刻蚀，以及随后凹面结构随着刻蚀时间的增加而扩展的过程。其中，初始阶段的激光改性区实心凹坑阵列2的快速刻蚀持续3~5min。

参考图3，在激光烧蚀形成激光改性区实心凹坑阵列2过程中，空气中的氧会与硅原子发生反应形成硅的氧化物，并且烧蚀区域硅晶格的晶体类型也会由单晶状态转变为多晶或非晶态。因而在刻蚀开始最初的3~5min，激光改性区实心凹坑阵列2被快速刻蚀掉，刻蚀深度会快速达到一个最大值。在刻蚀的初始阶段，激光改性区实心凹坑阵列2被快速刻蚀掉形成空心凹坑阵列3，其在于改性区的刻蚀速率比未改性区的刻蚀速率快，大约为其4~8倍。

进一步，参考图4，拓展阶段中，微孔结构的尺寸随着刻蚀时间的增加而增加，逐渐扩展形成凹透镜4。具体的，硅基底具有相对的第一表面和第二表面，其中，凹透镜阵列形成于第一表面。

一些实施例中，刻蚀的拓展阶段的刻蚀时间在5~50min。

刻蚀时间在5~20min条件下，凹透镜的横向尺寸随着刻蚀时间的增加而近似线性增加，因此随着刻蚀时间的增加，横向刻蚀速率相对比较稳定。并且随着刻蚀时间增加到20~50min，凹面结构的表面也变得越来越光滑。

上述刻蚀过程中，随着刻蚀时间的不断增加，刻蚀深度会逐渐降低并且会逐渐趋于不变。这是由于纵宽比依赖刻蚀（ARDE，或称为孔径效应）引起的，孔径效应会造成局部气体供应不足以及反映产物排放的不及时，从而导致凹透镜4底部的刻蚀速率下降，而外部刻蚀速率不受任何影响。随着刻蚀时间的增加，凹透镜4的纵宽比也会逐渐下降，从而孔径效应也会相应减弱，所以刻蚀深度也会逐渐趋于不变。

S1013、将滤光片集成于硅基底1的相对透镜阵列的表面，以制备硅透镜阵列结构10。其中，滤光片与透镜的位置相对应，用于汇聚外部红外光源的能量至芯片本体的中心热端。

具体的，参考图5，在硅基底1的底面硅平面涂覆上一层光刻胶并且进行光刻处理形成光刻胶5的结构作为后续滤光片集成的掩膜结构。具体的，底面为硅基底1的第二表面。

参考图6，在上述硅基底1第二表面沉积一层AgF薄膜结构，厚度在400~700nm或者一层MgF2薄膜结构，厚度在800~1400nm。这两种功能材料均对3.43um的红外波段有高透过率，因甲烷气体对3.43um波段的红外光具有强吸收的特性，因此通过气体芯片对3.43um波段的红外光能的大小反馈即可检测甲烷气体的浓度大小。

因此在气体敏感芯片表面集成一层特定红外波段高透过率的滤光片可以极大提高检测灵敏度，同时不同气体对不同的红外波段进行吸收，因而此类方法检测气体浓度具有很高的选择性。且此处集成特定3.43um红外波段高透过率滤光膜可进行甲烷气体浓度的检测。

参考图7，同样的方法，在上述硅基底1表面分别沉积Al(NO3)3薄膜，厚度在400~800nm，及AlGaS薄膜，厚度在500~1000nm，以制备硅透镜阵列结构10。这两种功能材料分别对3.95um及4.26um的红外波段有高透过率。大部分气体对3.95um波段的红外光均不吸收，只有水汽对3.95um波段的红外光产生大量吸收，因而Al(NO3)3薄膜功能材料用来做参比对照，进行外部环境干扰的排除。二氧化碳气体对4.26um波段的红外光具有强吸收的特性，因为通过气体芯片对4.26um波段的红外光能的大小反馈即可检测二氧化碳气体的浓度大小。因此硅基底1表面的三种功能材料的功能性分别为对甲烷气体浓度检测的单体，参比单体，对二氧化碳气体浓度检测的单体。

一些实施例中，还包括：S1014、将集成滤光膜的硅透镜阵列结构10与芯片本体11通过光学胶粘剂9进行SOC集成。其中，芯片本体11为NDIR红外气体传感器芯片阵列。具体参考图8。

具体的，第一步：对集成器件的胶合面进行超精密抛光。硅透镜阵列结构10的胶合面是两侧相对于透镜面的正面，NDIR红外气体传感器芯片阵列的胶合面则是热敏面向上。第二步：对即将光胶的硅透镜阵列结构10和NDIR红外气体传感器芯片阵列进行恒温处理。将两光胶件放置在50-100℃的环境中，恒温3小时左右，使器件温度均匀，利于光胶牢固。第三步，对光胶件进行洁净处理。使用相同环境中的软质材料清洁光胶面，洁净后用无尘玻璃罩覆盖。第四步，在两器件上施加一定的压力实现光胶结合，之后在光胶面的接触边缘外侧涂覆一薄层光敏胶以强化光胶效果。

参考图9-图16，本公开另一个实施例中，提供一种SOC单片集成的MEMS-CMOS气体传感器芯片的制备方法，包括：

S201、制备硅透镜阵列结构10；

S202、制备芯片本体11；

S203、制备谐振腔式阵列结构20；

S204、集成硅透镜阵列结构10、谐振腔式阵列结构20和芯片本体11。

一些实施例中，步骤S202的制备芯片本体11，包括：

S2021、提供衬底21。

一些实施例中，参考图9，衬底21为提供P型双抛硅片，并进行清洗和减薄处理。

一些实施例中， P型双抛硅片按照标准依次放于丙酮、无水乙醇和去离子水中分别超声5分钟，超声处理后将硅片放于热板上以100℃加热半个小时。采用上述清洗处理，可以去除硅片表面的污染物以及灰尘等颗粒。

进一步，清洗完成后进行对硅片减薄至400~600um厚度，其中，减薄后的硅片根据需要制备预设数量待用。

一些实施例中，参考图10，在衬底21上表面热氧(干氧)工艺注入阻挡层22，其中，热氧电流为500~1000A。

一些实施例中，对衬底21和阻挡层22构成的结构层进行光刻。

具体的，参考图11，在阻挡层22表面涂覆一层光刻胶23，其中，光刻胶23暴漏衬底21的CMOS区域。进一步，对CMOS区域注入硼离子形成轻掺杂P-well结构24，并去除光刻胶23。

S2022、在衬底21上依次形成上支撑层、氧化层41和钝化层44，以制备半导体结构层。

进一步，参考图12，支撑层包括第一支撑层25、第二支撑层26和第三支撑层27。

一些实施例中，第一支撑层25为氧化硅支撑层，第二支撑层26为氮化硅支撑层，第三支撑层27为氧化硅支撑层。

一些实施例中，在衬底21上形成支撑层包括：在衬底21和阻挡层构成的结构层表面再进行一次热氧工艺沉积一层厚度在0.1~5um的第一支撑层25，以及在第一支撑层25表面利用正面低压化学气相沉积一层厚度在0.01~0.5um的第二支撑层26及一层厚度在0.01~0.5um的第三支撑层27。

本公开中，对MEMS器件结构来说，通过氮化硅与氧化硅的应力反向，制备三层支撑层用以改善支撑膜层的应力。对CMOS器件结构来说，第一支撑层25可以作为栅极30氧化层，第三支撑层27可以作为场氧湿氧层用于CMOS器件间的电隔离，第二支撑层26可以用作第三支撑层27生长的阻挡掩膜层。

S2023、在半导体结构层上制作CMOS器件结构和MEMS器件结构。

具体的，参考图13，在第三支撑层27表面利用等离子增强化学气相淀积工艺溅射一层厚度在0.1~2um的多晶硅28，并采用离子注入及扩散的方法掺杂磷离子，形成N型多晶硅半导体。

进一步，通过重掺杂工艺在衬底21和支撑层构成的结构层上形成CMOS器件结构的源极29，栅极30及漏极31。通过重掺杂工艺在多晶硅28上形成MEMS器件结构部分的热电堆，其中，MEMS器件结构部分的气体芯片热电堆包括第一冷端热电偶32及另一热偶对的第二冷端热电偶35，气体芯片热电堆还包括第一热端热电偶33及另一热偶对的第二热端热电偶34。

进一步，在多晶硅28采用离子注入及扩散的方法掺杂硼离子，形成P型多晶硅半导体。

进一步，参考图14，通过重掺杂工艺在衬底21和支撑层构成的结构层上形成CMOS管的P+接触GND端36，用于为CMOS管提供一个低阻抗的连接点及抑制源漏结反向击穿和漏电流的产生。同时，通过重掺杂工艺在多晶硅28上形成MEMS器件结构的气体芯片热电堆第三冷端热电偶37及另一热偶对的第四冷端热电偶40，气体芯片热电堆第三热端热电偶38及另一热偶对的第四热端热电偶39。其中，第三热端热电偶38（P型多晶硅）与第一热端热电偶33（N型多晶硅）构成一对热端热偶对。第四热端热电偶39（P型多晶硅）与第二热端热电偶34（N型多晶硅）构成一对热端热偶对。第三冷端热电偶37（P型多晶硅）与第一冷端热电偶32（N型多晶硅）构成一对冷端热偶对。第四冷端热电偶40（P型多晶硅）与第二冷端热电偶35（N型多晶硅）构成一对热端热偶对。

一些实施例中，上述热偶对通过Al金属进行串联，电势累加形成高灵敏热电堆，其中，热电堆构成的红外气体芯片可以对红外光能进行即时反馈。

一些实施例中，参考图15，利用等离子体增强化学气相沉积法在多晶硅28上沉积一层厚度在0.01~10um的氧化硅制作顶部氧化层41，用于进行电绝缘。

一些实施例中，使用磁控溅射的方法进行沉积一层厚度在100~500nm的金属铝，并进行光刻形成导线层42，导线层42用于将各MEMS部分热偶对进行相连接，同时将MEMS气体芯片的第三冷端热电偶37（正极）与CMOS部分的漏极31相连。

进一步，在氧化层41表面进行等离子体增强化学气相沉积法沉积一层厚度在0.01~10um的氮化硅形成钝化层44。

一些实施例中，继续参考图15，进行二次磁控溅射的方法进行沉积一层厚度在100~500nm的钨金用作PAD层43金属，同时将PAD层43金属漏出与外围板级电路相连。进一步，参考图16，利用深硅刻蚀将硅衬底21进行底面刻蚀形成背腔45，以将器件中心热端位置进行释放，形成背面释放腔，并完成MEMS气体芯片的制作，其中，背腔45用于减少中心热端热量损失，进而可以形成冷热端温差。

一些实施例中，利用二层钨金在阵列中把MEMS气体芯片的第二冷端热电偶35（负极）与CMOS部分的P+接触GND端36相连，形成集成了电子开关CMOS管的MEMS气体传感器芯片，其中，热电堆单体与CMOS器件间呈一一对应连接。

进一步，将阵列栅极30并联接至外围电路多路复用器MUX中，通过调控阵列中不同单体的栅极30电压来进行对不同气体浓度的选择性探测。当栅极30供电电压大于阈值电压时，这些电子在栅极30附近的P衬底21表面便形成一个N型薄层，且与两个N+区相连通，在漏源极间形成N型导电沟道，则此时CMOS管处于导通状态，反之，则处于断开状态。

一些实施例中，步骤S203的制备谐振腔式阵列结构20，包括：

S2031、提供P型双抛硅片110，并进行清洗和减薄处理。具体参考图17。

一些实施例中，P型双抛硅片110按照标准依次放于丙酮、无水乙醇和去离子水中分别超声5分钟，超声处理后将硅片放于热板上以100℃加热半个小时。采用上述清洗处理，可以去除硅片表面的污染物以及灰尘等颗粒。

进一步，清洗完成后进行对硅片减薄至400~600um厚度，其中，减薄后的硅片根据需要制备预设数量待用。

S2032、利用飞秒激光加工工艺对硅片表面进行刻蚀处理，在硅片上形成凹坑阵列。

具体的，参考图18，将清洗减薄后的硅片110放置在高精度三维移动平台上，利用波长为800nm，激光脉宽为100~300fs，重复频率为1~3KHz，脉冲数为20~50，激光能量的范围为20到50nJ/cm2的线性偏振飞秒激光制备第一实心凹坑111。利用脉冲数为100~200，激光能量的范围为50到100nJ/cm2的线性偏振飞秒激光制备第二实心凹坑112。利用脉冲数为300~ 500，激光能量的范围为100到150nJ/cm2的线性偏振飞秒激光制备第三实心凹坑113。

一些实施例中，参考图19，将激光改性后的硅片110放置在感应耦合等离子刻蚀系统（ICP）的刻蚀腔中，在SF6气体的等离子体环境下进行干法刻蚀，形成第一空心凹坑114、第二空心凹坑115和第三空心凹坑116。进一步，参考图20，刻蚀持续时间为20~50min，以形成不同深度的第一凹坑117、第二凹坑118和第三凹坑119。

S2033、在凹坑表面形成反射层。

具体的，参考图21，在凹坑的硅凹面上通过LPCVD沉积一层厚度在300~500nm铝铬合金制作金属反射层125，以完成谐振腔式阵列结构20的制备。其中，谐振腔式阵列结构20为一种实心底硅结构。

铝铬合金可以反射90%以上的红外光线，提升气体芯片热端热量，进而提升对气体浓度探测灵敏度。不同深度的凹坑是因为对不同气体浓度的检测所需的红外波段不同，波长不同，进而底部选用作为谐振腔的高度不同。

一些实施例中，谐振腔的高度一般为1/4λ~3/4λ，其中λ为红外波段波长。本公开选用的波长分别为3.43um，3.95um，4.26um，因而选用不同高度的谐振腔用来形成自激振荡，增加芯片中心部位对红外光源所散发出的微弱光强的接收及汇聚。

一些实施例中，参考图22，谐振腔式阵列结构20通过胶粘剂120与芯片本体11进行SOC集成，其中，芯片本体11为NDIR气体传感器芯片。

一些实施例中，参考图23，将集成有谐振腔式阵列结构20的气体芯片阵列的电子开关CMOS的栅极30通过金线121与信号复用器(MUX)122进行连接，利用信号复用器(MUX)122实现对气体芯片阵列进行芯片通道选择。

进一步，利用装片胶123将整个芯片阵列固定封装在底部PCB板124上，底部为谐振腔式阵列结构20基底结构。本公开中，相比较于背腔结构，在实际使用的时候，实心底硅结构更便于WLP封装，提高了气体芯片阵列的整体可靠性与实用性。进一步，参考图24，将硅透镜阵列结构10、芯片本体11和谐振腔式阵列结构20封装以制备集成硅透镜的气体传感器芯片。

一些实施例中，参考图25，图25为集成滤光片的硅微凹透镜、底部反射层与NDIR红外气体传感器芯片的SOC集成红外光线入射效果图。图中，采用本公开的设计，可以使红外光源发出的红外光能量尽可能的集中在热端，微凹透镜及底部凹凸谐振腔可以汇聚聚焦红外光源的能量在红外芯片的敏感区域，提升芯片输出，进而提升气体浓度探测灵敏度。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本公开的原理而采用的示例性实施方式，然而本公开并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本公开的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本公开的保护范围。