二氧化碳（CO2）红外气体传感器在工农业生产、医疗卫生,航空航天,环境保护等领域有着广阔的应用前景。随着微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical System,MEMS）技术的发展,在物联网、可穿戴设备以及智能移动终端飞速发展的需求牵引下,对CO2红外气体传感器提出了微型化、智能化、低功耗的新要求。因此,研制微型化红外气体传感器具有重大意义。本文基于红外气体敏感机理提出微型化CO2红外气体传感器新结构,系统开展了红外气体传感器中专用MEMS红外光源、Si基微型气室、信号处理电路三个核心元件研究,通过三维集成与组装技术研制出微型化红外CO2气体传感器样品,并应用到苏州、上海等地铁站,实现地铁站环境中CO2气体的实时在线检测。主要的研究内容和成果如下:针对CO2气体特征吸收波段对红外光源中心发光稳定、小体积等要求,本文提出三种不同MEMS红外光源芯片结构:桥式单光源、桥式光源阵列以及板式单光源。通过对三种光源结构的电热偶合仿真,优选出的桥式单光源性能最佳,具有发热区面积小、辐射强度大、功耗低的优点。该光源采用具有“X”型四臂支撑悬空的微热板结构,中心区域为有效加热区,四周通过悬空空气隙和桥腿支撑结构形成隔热区域。微热板硅片总体尺寸为2×2×0.3 mm~3,其加热区域尺寸为300×300μm~2,悬空区域尺寸为600×600μm~2,支撑悬臂梁宽度为100μm。采用硅基MEMS工艺完成了光源芯片的流片制造,并对光源芯片进行性能测试,结果表明该光源芯片24 ms内即可快速升温至工作温度407℃,功耗为46 m W,工作电压为2.85 V,具有热响应时间快、功耗低、集成度高的特点。针对传统红外气体传感器气室体积大、难以集成等问题,利用单晶硅各向异性刻蚀的刻蚀机理,提出双层硅片堆叠单孔进光、双孔出光的微型气室结构,基于Trace Pro和COMSOL平台分别开展了硅基微型气室的不同光内腔、光孔、气孔结构的多物理场仿真,设计出高光传输效率、小体积的硅基盒型内腔微型气室,光程长达21mm;优选入光孔和出光孔面积均为1.0 mm×1.0 mm,透光率达17.6%;提出中心对称五气孔方案,气体平衡的扩散时间仅为5s。根据设计方案开展微型气室的工艺加工,主要工艺流程有生长二氧化硅、光刻、腐蚀、镀膜和划片等工序。优化Si基微型气室的内腔腐蚀以及金金键合等关键工艺的工艺条件,制备出MEMS微型气室,具有体积小（9.5×9.5×0.74 mm~3）、光程长、透光率高的特点。围绕红外气体传感器中微弱输出信号的高精度、微型化信号提取与处理的电路难题,提出阻抗变换、电荷积分等方法将红外敏感单元中热释电电荷信号转换为电流信号,提出基于调制放大和模数转换技术提高电流信号的抗噪能力和处理电路温度补偿能力,可有效提取热释电敏感单元的输出信号。通过电路仿真,设计出信号处理电路专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit,ASIC）芯片版图,并加工出信号处理电路ASIC芯片样品,其中芯片的A/D采样位数14位,采样精度为6.15μV,采样速率为39.8 k Hz。采用本文研制的MEMS红外光源、高透光率硅基微型气室以及信号处理电路ASIC芯片,提出基于低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramics,LTCC）基板的传感器三维集成总体方案。基于高密度LTCC基板互连、晶片键合集成、晶圆级真空封装等技术,完成传感器三维组装工艺设计与加工,并通过贴片电极引出传感器的功能引脚,制备出微型化红外气体传感器。传感器性能测试结果表明,研制出的微型化红外气体传感器测量范围为0～60%Vol,测量精度为0.09%,重复性误差为1.97%,传感器体积为10×10×6 mm~3,具有较好的稳定性和重复性,并实现在上海地铁和苏州地铁的典型应用。