CN103184886A - 一种基于mems技术的瓦斯报警器的测量部件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于MEMS技术的瓦斯报警器的测量部件及其制备方法，利用MEMS的优势，将检测部件制作成MEMS芯片，配以一定的处理电路就可以检测空气中的瓦斯浓度，与传统瓦斯报警器相比，使用MEMS方法制作催化燃烧型瓦斯报警器，MEMS报警器测量部件体积小，响应时间短，且准确度高。

Description

一种基于MEMS技术的瓦斯报警器的测量部件及其制备方法

技术领域

本发明属于MEMS系统设计与应用领域，尤其是一种基于MEMS技术的瓦斯气体报警器的测量部件及其制备方法。

背景技术

MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)是微机电系统的缩写。MEMS是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统。目前MEMS加工技术被广泛应用于物理、化学、生物学等领域。MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。MEMS技术正发展成为一个巨大的产业，就像近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷嘴和硬盘驱动头等。大多数工业观察家预测，未来5年MEMS器件的销售额将呈迅速增长之势，年平均增加率约为18%，因此对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。 

MEMS是一种全新的必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域，相对于传统的机械，它们的尺寸更小，最大的不超过一个厘米，甚至仅仅为几个微米，其厚度就更加微小。采用以硅为主的材料，电气性能优良，硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝类似，热传导率接近钼和钨。采用与集成电路（IC）类似的生成技术，可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺 ，进行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。 MEMS系统包括了微小的机械和电力部件。MEMS结构的微感应器可以用来感应或测量压力、流速、加速度、温度、压力以及其他物理量。一个微感应器可以把环境量，比如流速、压强、温度转化成电信号。我们给这样的感应器的电信号制定一个标准，这样感应器所在的环境量就可以测量了。

甲烷（CH₄），俗称瓦斯，是天然气的主要成分，在家庭生活、工业生产中经常需要用到天然气。然而，使用天然气最重要的就是安全问题，准确、迅速的检测天然气是否泄漏便成了重中之重，这就需要用到瓦斯报警器；在煤矿生产中，伴随生产也会产生瓦斯气体，必须要有瓦斯报警器来避免安全事故的发生。

目前的瓦斯检测报警仪器按原理主要分为燃烧式和红外光谱式两种，光谱法检测瓦斯准确度高，但仪器设备体积较大，成本较高，实际应用中受限条件较多。检测瓦斯最有效最经济的方法是催化燃烧方法，这种方法的主要原理是把催化剂氧化钯（黑）涂在测量元件表面, 再配以物理性能相同的参比元件组成测量电桥(黑白元件) 。两只元件用铂丝加热到摄氏400度, 当空气中含有可燃气体时, 测量元件在催化剂的作用下, 在元件表面发生催化反应, 使温度上升, 通过测量两只元件的温差就能判断出瓦斯的含量。由于催化元件在检测可燃性气体方面有着电路简单、可靠、廉价等许多的优越性能, 在全国煤矿安全检测领域得到了广泛应用。催化燃烧型瓦斯检测仪器是当前煤矿中使用最广泛、最普遍的瓦斯检测仪器。但是传统方法制作的瓦斯报警器，使用一段时间之后，会由于催化剂中毒、污染物沉积产生较大的误差。更重要的是，传统的报警器响应时间较长，很难做到接触气体后快速反应。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于MEMS技术的瓦斯报警器的测量部件，利用MEMS的优势，将检测部件制作成MEMS芯片，配以一定的处理电路就可以检测空气中的瓦斯浓度，与传统瓦斯报警器相比，使用MEMS方法制作催化燃烧型瓦斯报警器， MEMS报警器测量部件体积小，响应时间短，且准确度高。

本发明的技术方案是：一种基于MEMS技术的瓦斯报警器的测量部件，其特征在于其包括堆放在一起的两块长方体硅基，其中一个硅基在与另一个硅基接触面的一侧开有气体通道，所述气体通道为长方体形状的缺口，所述缺口的入口处设置有一层过滤其他气体的活性炭；开有气体通道的硅基在缺口表面的中间位置设有热敏电阻，另一个长方体硅基在其与缺口相对应的表面设置有燃烧元件；所述测量部件的上表面设有一层连接外部电路的绝热层。 

所述的测量部件的瓦斯浓度测量范围是0～4%（体积比）。

一种基于MEMS技术的瓦斯报警器的测量部件的制作方法，其特征在于它包括以下步骤： 

（1）用 MEMS仿真设计出气体通道和测量单元的图形，并制成玻璃为基板的镍Ni金属掩模板；

（2）用光刻机将气体通道的图形转移到旋涂有光刻胶的长方体硅基片；胶厚为0.5～1.5微米，将悬涂好光刻胶的硅片放置在真空干燥箱中前烘10分钟，温度为90℃；再用极紫外线光进行光刻，根据胶厚的不同设置曝光时间为4～12s，然后，在浓度为0.6％的NaOH溶液中显影20～60s，将显影好的硅片进行后烘15分钟，温度为120℃；将显影后干燥过的硅片，置于反应离子刻蚀机中，氧气流量为50sccm，气压为40mbar，forword power为50w，轰击2分钟，去除图形底部残胶，深度为10～20微米；

（3）仿照（2）的步骤，在开有气体通道的硅基的缺口表面的中间位置光刻并刻蚀出热敏电阻的图形，深度4微米；

（4）使用丙酮超声清洗5～10分钟，洗去光刻胶以及其他杂质；

（5）使用LPCVD技术，在热敏电阻的部分沉积磷和硼的化合物制成热敏电阻；

（6）用微电镀技术在另一个长方体硅基上镀上燃烧元件，燃烧元件包括铂基和催化剂氧化钯；

（7）在各部分之间电镀制作导线并连接到外部电路中，制成芯片封装。

本发明的工作原理：在惠斯通电桥两端分别连接有催化剂和无催化剂的铂基，空气中有瓦斯时，瓦斯会在有催化剂的铂上燃烧，从而使温度上升，相应的热敏电阻阻值变化，电桥两端产生电压差，测量这个电压差并处理就可以得到空气中瓦斯的浓度。

本发明的优越性是：

（1）响应时间快，由于MEMS元件体积小，在浓度逐渐增大时，元件温度增加较快，从而使达到报警条件所需时间短；

（2）灵敏度高，小体积避免了很多由电路系统带来的干扰，可以准确的确定瓦斯浓度；

（3）本发明将气体通道制作进了结构的内部，避免了传统的测量装置暴露在空气中的结构，这种结构测量元件与空气接触小，可以减少空气中杂质的影响，以及长时间使用元件灵敏度下降的问题，从而增加了使用寿命。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步描述。

图1是经过光刻、图形转移得到的开有气体通道的长方体硅基示意图。

图2是经过沉积得到的开有气体通道和光刻出热敏电阻的的长方体硅基立体示意图。

图3是在镀上燃烧元件后的长方体硅基示意图。 

图4是两个长方体硅基堆放形成气体通道的的示意图。

图5是本发明涉及的瓦斯报警器的测量部件最终封装后的结构示意图

其中：1为开有气体通道的硅基，2为热敏电阻，3为燃烧元件，4为长方体硅基，5是气体通道，6是活性炭，7是绝热层,8是导线。

具体实施方式

实施实例：

一种基于MEMS技术的瓦斯报警器的测量部件，其特征在于其包括堆放在一起的两块长方体硅基，其中一个硅基在与另一个硅基接触面的一侧开有气体通道5，所述气体通道5为长方体形状的缺口，所述缺口的入口处设置有一层过滤其他气体的活性炭6；开有气体通道5的硅基1在缺口表面的中间位置设有热敏电阻2，另一个长方体硅基4在其与缺口相对应的表面设置有燃烧元件3；所述测量部件的上表面设有一层连接外部电路的绝热层7。 

一种基于MEMS技术的瓦斯报警器的测量部件的制作方法，其特征在于它包括以下步骤： 

（1）用 MEMS仿真设计出通道槽和测量单元的图形，并制成玻璃为基板的镍Ni金属掩模板；

（2）如图1所示，用光刻机将通道的图形转移到旋涂有光刻胶的硅片上；胶厚为1.0微米，将悬涂好光刻胶的硅片放置在真空干燥箱中前烘10分钟，温度为90℃。极紫外线光进行光刻，曝光时间根据胶厚不同为8s，然后，在浓度为0.6％的NaOH溶液中显影40s，将显影好的硅片进行后烘15分钟，温度为120℃。将显影后干燥过的硅片，置于反应离子刻蚀机中，氧气流量为50sccm，气压为40mbar，forword power为50w，轰击2分钟，去除图形底部残胶，深度为15微米；

（3）如图2所示，在开有气体通道的硅基的缺口表面的中间位置光刻并刻蚀出热敏电阻的图形，深度4微米；

（4）使用丙酮超声清洗7.5分钟，洗去光刻胶以及其他杂质；

（5）使用LPCVD技术，在热敏电阻的部分沉积磷和硼的化合物制成热敏电阻2；

（6）如图3所示，用微电镀技术在另一个长方体硅基上镀上燃烧元件3，燃烧元件包括铂基和催化剂氧化钯；

（7）如图4、图5所示，在各部分之间电镀制作导线8并连接到外部电路中，制成芯片封装。

经过上述步骤可以得到的瓦斯报警器的测量部件，所述的测量部件的瓦斯浓度测量范围是0～4%（体积比），可在这个范围内设置报警参数。

Claims (4)

1.一种基于MEMS技术的瓦斯报警器的测量部件，其特征在于其包括堆放在一起的两块长方体硅基，其中一个硅基在与另一个硅基接触面的一侧开有气体通道，所述气体通道为长方体形状的缺口，所述缺口的入口处设置有一层过滤其他气体的活性炭；开有气体通道的硅基在缺口表面的中间位置设有热敏电阻，另一个长方体硅基在其与缺口相对应的表面设置有燃烧元件。

2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS技术的瓦斯报警器的测量部件，其特征在于所述测量部件的上表面设有一层连接外部电路的绝热层。

3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS技术的瓦斯报警器的测量部件，其特征在于所述的测量部件的瓦斯浓度测量范围是0～4%（体积比）。

4.一种基于MEMS技术的瓦斯报警器的测量部件的制作方法，其特征在于它包括以下步骤： 

（1）用 MEMS仿真设计出气体通道和测量单元的图形，并制成玻璃为基板的镍Ni金属掩模板；

（2）用光刻机将气体通道的图形转移到旋涂有光刻胶的长方体硅基；胶厚为0.5～1.5微米，将悬涂好光刻胶的硅片放置在真空干燥箱中前烘10分钟，温度为90℃；再用极紫外线光进行光刻，根据胶厚的不同设置曝光时间为4～12s，然后，在浓度为0.6％的NaOH溶液中显影20～60s，将显影好的硅片进行后烘15分钟，温度为120℃；将显影后干燥过的硅片，置于反应离子刻蚀机中，氧气流量为50sccm，气压为40mbar，forword power为50w，轰击2分钟，去除图形底部残胶，深度为10～20微米；

（3）仿照（2）的步骤，在开有气体通道的硅基的缺口表面的中间位置光刻并刻蚀出热敏电阻的图形，深度4微米；

（4）使用丙酮超声清洗5～10分钟，洗去光刻胶以及其他杂质；

（5）使用LPCVD技术，在热敏电阻的部分沉积磷和硼的化合物制成热敏电阻；

（6）用微电镀技术在另一个长方体硅基上镀上燃烧元件，燃烧元件包括铂基和催化剂氧化钯；

（7）在各部分之间电镀制作导线并连接到外部电路中，制成芯片封装。

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