CN108037183B - 一种基于电容式电桥结构的超声阵列气体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于电容式电桥结构的超声阵列气体传感器。现有产品不便于集成至移动设备。本发明包括可变电阻、第一电阻、第二电阻、可变电容、参考电容。可变电阻的一端与可变电容的一端连接后接电源VCC，可变电阻的另一端与第一电阻的一端连接后作为输出电压Vout的正极，可变电容的另一端、参考电容的一端和第二电阻的一端连接后作为输出电压Vout的负极。可变电容和参考电容结构相同，均采用超声阵列电容，其中可变电容的表面可吸附气体，电容会发生变化，参考电容表面不吸附气体，只作为参照组。本发明可最大限度地放大气体传感器的微弱信号，单个超声单元结构可靠性高，形成的超声阵列冗余度高，传感器具备高鲁棒性。

Description

一种基于电容式电桥结构的超声阵列气体传感器
技术领域
本发明属于微机电系统气体传感器技术，具体涉及一种基于电容式电桥结构的超声阵列气体传感器
背景技术
气体传感器主要用于检测气体的物理特性和化学成分。无论在日常生活中，还是在工业制造中，它都有着广泛应用。然而，传统的气体传感器因受限于其工作原理，通常具有较大尺寸和较大功耗，不便于集成至移动设备，如智能手机和可穿戴设备。
随着微机电系统(MEMS)技术的发展，这种局面逐步发生转变。微机电系统气体传感器已成为气体传感领域的研究热点。微机电系统气体传感器的主要优点包括尺寸小、功耗低、易于集成等。然而，在兼顾微弱信号的探测灵敏度和稳定性方面，微机电系统气体传感器仍然存在挑战。传统的电阻式气体传感器通过可放大信号的电桥结构(如惠斯通电桥结构)将电阻变化引起的直流电压变化进行放大再输出。但是，这种方法对温度比较敏感，且可调节的参数有限；只能通过电阻变化来引起电压幅值变化，无法对特征频率的偏移等频率特性的改变进行检测。
实际上，对于通交流信号的电路系统，电容和电阻所引起的阻抗具有同等效果。在传统电桥结构中，使用电容替换电阻后，同样能达到放大信号的效果。电容的阻抗大小跟电流频率和自身电容值有直接关系。在一个微机电系统气体传感器中，当以微机电系统作为电容单元构建出一个电桥结构，且通过传感器的交流信号频率为其第一特征频率时，微机电系统的振膜会产生共振，出现最大动态位移，此时气体传感器的电容值能以最大范围变化。在该情况下，振膜表面是否有吸附气体，会显著影响特征频率，振膜的动态振动幅度具有很大差异，电容值变化也具有很大差异，导致阻抗不匹配，经过比较两点电压差便能够将原本微小、难以检测的信号放大，大大提升气体传感器的灵敏度。
综上所述，基于电容式电桥结构的气体传感器具有明显优势，而与超声阵列结合，由于工作频率较高、超声单元数量多，理论上，这种气体传感器将具有更高的灵敏度和鲁棒性，且尚未被公开或报道过。
发明内容
本发明的目的就是提供一种基于电容式电桥结构的超声阵列气体传感器，可实现高灵敏度及高鲁棒性的探测功能。
本发明包括可变电阻R、第一电阻R1、第二电阻R2、可变电容C1、参考电容C2。所述的可变电阻R的一端与可变电容C1的一端连接后接电源VCC，可变电阻R的另一端与第一电阻R1的一端连接后作为输出电压Vout的正极，可变电容C1的另一端、参考电容C2的一端和第二电阻R2的一端连接后作为输出电压Vout的负极，第一电阻R1的另一端、第二电阻R2的另一端和参考电容C2的另一端连接后接地。
所述的可变电容C1和参考电容C2结构相同，均采用超声阵列电容，主体结构从下往上依次包括：基底、下SiO2薄膜层、下电极层、上SiO2薄膜层、牺牲层、下振膜层、上振膜层、上电极层、绝缘钝化层、接线层、气体吸附层；其中：
基底的作用是支撑固定，其材料为硅片；
下SiO2薄膜层为下电极的支撑层，并起绝缘保护作用；
下电极层为阵列结构，包括一组呈阵列布置的圆形下电极膜片，对角位置的圆形下电极膜片通过条形下电极膜片连通，边沿的一个圆形下电极膜片引出下电极；所有的圆形下电极膜片和条形下电极膜片，以及下电极的材料相同，构成下电极层，下电极层的材料为铝或多晶硅；
上SiO2薄膜层用于隔离保护下电极层的阵列结构；
牺牲层用来形成空腔，为振膜层的振动提供空间，包括一组呈阵列布置的圆形腐蚀膜片和一组呈阵列布置的过渡腐蚀膜片，所有圆形腐蚀膜片与圆形下电极膜片位置对应，所有的过渡腐蚀膜片与两条条形下电极膜片的相交处位置对应；对角位置的圆形腐蚀膜片通过条形腐蚀膜片和过渡腐蚀膜片连通；所有的圆形腐蚀膜片、过渡腐蚀膜片和条形腐蚀膜片材料相同，构成牺牲层，牺牲层的材料为Al或Cr；
下振膜层为上电极层的支撑层，其振动时带动上电极层一起振动，并作为牺牲层释放时的通道，使腐蚀液能够进入；下振膜层覆盖于整个表面，开设有一组呈阵列布置的腐蚀通道，每个腐蚀通道开设在过渡腐蚀膜片处，腐蚀通道从下振膜层上表面贯通至过渡腐蚀膜片的上表面；
上振膜层用于掩盖下振膜层的腐蚀通道，材料为SiO2；
上电极层为阵列结构，包括一组呈阵列布置的圆形上电极膜片，所有的圆形上电极膜片与圆形下电极膜片位置对应，两者共同组成一个可振动电容结构；相邻位置的圆形上电极膜片通过条形上电极膜片连通，边沿的一个圆形上电极膜片引出上电极；所有的圆形上电极膜片和条形上电极膜片，以及上电极的材料相同，构成上电极层，上电极层的材料为铝或多晶硅；
绝缘钝化层用于保护上电极层，免受外界环境干扰，并起绝缘作用，材料为氮化硅或氧化铝；
接线层作为气体传感器和外部集成电路连接接口，包括分别附着在圆形下电极膜片和圆形上电极膜片上的下电极膜片和上电极膜片；下电极膜片和上电极膜片的直径大于圆形下电极膜片和圆形上电极膜片，且分别与圆形下电极膜片和圆形上电极膜片导通；
气体吸附层用于吸附待检测气体，吸附后质量会有所改变；
所述的可变电容C1的表面能够吸附气体，吸附气体后电容会发生变化；
所述的参考电容C2的表面不吸附气体，只作为参照组。
本发明的技术效果体现在两个方面：电容式电桥结构借助薄膜共振现象可最大限度地放大气体传感器的微弱信号，超越传统电阻式电桥结构的放大效果；使用微机电系统工艺制作的超声阵列中，单个超声单元结构可靠性高，形成的超声阵列冗余度高，因此，该气体传感器也具备高鲁棒性。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为超声振列电容的整体结构示意图；
图3为超声振列电容部分对应层的俯视图；其中图A为下电极层，图B为牺牲层，图C为下振膜层上的腐蚀通孔，图D为上电极层；
图4为超声振列电容各层叠加后最终效果图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于电容式电桥结构的超声阵列气体传感器，包括可变电阻R、第一电阻R1、第二电阻R2、可变电容C1、参考电容C2。其中可变电容C1和参考电容C2均采用超声阵列电容，可变电容C1的表面可吸附气体，因此电容会发生变化，参考电容C2与可变电容C1是相同，但是其表面不吸附气体，只作为参照组。可变电阻R的一端与可变电容C1的一端连接后接电源VCC，可变电阻R的另一端与第一电阻R1的一端连接后作为输出电压Vout的正极，可变电容C1的另一端、参考电容C2的一端和第二电阻R2的一端连接后作为输出电压Vout的负极，第一电阻R1的另一端、第二电阻R2的另一端和参考电容C2的另一端连接后接地。
R与R1串联，R2与C2并联后与C1串联，最后R、R1与R2、C2、C1并联，并联电路电压相同，串联电路电压与阻抗大小成正比，通过电阻、电容对供电电源进行分压，当其中一个电容阻抗增加或减小，另一个串联的电容阻抗不变作为参考电容，将不同并联电路上的两个节点的电压进行比较，其电压差即为输出信号。
如图2所示，可变电容C1和参考电容C2结构相同，均采用超声阵列电容，主体结构从下往上依次包括：基底1、下SiO2薄膜层2、下电极层3、上SiO2薄膜层4、牺牲层5、下振膜层6、上振膜层7、上电极层8、绝缘钝化层9、接线层10、气体吸附层11，所有薄膜层的厚度为100～2000nm之间。其中：
基底1的作用是支撑固定，其材料为硅片。
下SiO2薄膜层2为下电极的支撑层，并起绝缘保护作用。
下电极层3为阵列结构如图3(A)所示，包括一组呈阵列布置的圆形下电极膜片3-1，圆形下电极膜片3-1的直径25um～40um，相邻两圆形下电极膜片3-1的圆心距45um～65um。对角位置的圆形下电极膜片3-1通过条形下电极膜片3-2连通，边沿的一个圆形下电极膜片3-1引出下电极3-3。所有的圆形下电极膜片3-1和条形下电极膜片3-2，以及下电极3-3的材料相同，构成下电极层3。下电极层3的材料为铝或多晶硅等导电材料。
上SiO2薄膜层4用于隔离保护下电极层3的阵列结构。
牺牲层5用来形成空腔，为振膜层的振动提供空间。如图3(B)所示，牺牲层5包括一组呈阵列布置的圆形腐蚀膜片5-1和一组呈阵列布置的过渡腐蚀膜片5-2。圆形腐蚀膜片5-1的面积小于圆形下电极膜片3-1，圆形腐蚀膜片5-1的直径22.5um～37.5um。所有圆形腐蚀膜片5-1与圆形下电极膜片3-1位置对应，所有的过渡腐蚀膜片5-2与两条条形下电极膜片3-2的相交处位置对应。对角位置的圆形腐蚀膜片5-1通过条形腐蚀膜片5-3和过渡腐蚀膜片5-2连通。所有的圆形腐蚀膜片5-1、过渡腐蚀膜片5-2和条形腐蚀膜片5-3材料相同，构成牺牲层5。牺牲层5的材料为Al或Cr。
下振膜层6为上电极层8的支撑层，其振动时带动上电极层8一起振动，并作为牺牲层5释放时的通道，使腐蚀液能够进入。如图3(C)所示，下振膜层6覆盖于整个表面，并拥有一组呈阵列布置的腐蚀通道6-1，每个腐蚀通道6-1开设在过渡腐蚀膜片5-2处，腐蚀通道6-1从下振膜层6上表面贯通至过渡腐蚀膜片5-2的上表面。上振膜层7用于掩盖下振膜层6的腐蚀通道6-1，上振膜层7材料为SiO2。
上电极层8为阵列结构如图3(D)所示，包括一组呈阵列布置的圆形上电极膜片8-1，圆形上电极膜片8-1的面积小于圆形下电极膜片3-1和圆形腐蚀膜片5-1，圆形上电极膜片8-1的直径20um～35um。所有的圆形上电极膜片8-1与圆形下电极膜片3-1位置对应，两者共同组成一个可振动电容结构。相邻位置的圆形上电极膜片8-1通过条形上电极膜片8-2连通，边沿的一个圆形上电极膜片8-1引出上电极8-3。所有的圆形上电极膜片8-1和条形上电极膜片8-2，以及上电极8-3的材料相同，构成上电极层8，上电极层8的材料为铝或多晶硅。
绝缘钝化层9为氮化硅或氧化铝等绝缘薄膜材料，用于保护上电极层，免受外界环境干扰，并起绝缘作用。
接线层10作为气体传感器和外部集成电路连接接口。如图4所示，接线层10包括分别附着在圆形下电极膜片3-3和圆形上电极膜片8-3上的下电极膜片9-1和上电极膜片9-2。下电极膜片9-1和上电极膜片9-2的直径大于圆形下电极膜片3-3和圆形上电极膜片8-3，且分别与圆形下电极膜片3-3和圆形上电极膜片8-3导通。
气体吸附层11用于吸附待检测气体，吸附后质量会有所改变，其材料为与所需吸附的气体种类有关，例如PEI、MEA、PIB等。
传感器进行气体传感的工作原理为，当电容阵列的振膜表面吸附气体时会使得振膜的特征频率偏移，工作信号频率与振膜特征频率不相同时将使得其振动幅度快速降低，电容的容值也会随其发生显著变化，并且容值与吸附气体的质量成一一对应关系，通过电桥电路后就可以计算得到具体吸附的气体量为多少。
结合图3所示的单个超声阵列的简化制作过程进一步说明超声阵列主体结构中各部分的连接关系。
首先，在基底上制作下电极(如图3(A)所示)，下电极的图形结构如图3(A)所示，下电极层上下分别为上SiO2薄膜层和下SiO2薄膜层；然后，如图3(B)所示，在上SiO2薄膜层上生长牺牲层，再生长下振膜层；接着，在下振膜层上制作如图3(C)所示通孔，该通孔主要用于腐蚀牺牲层时让腐蚀液顺利通入，腐蚀完成后，再生长一层上振膜层，填充通孔；随后，如图3(D)所示，淀积一层上电极层，并覆盖上一层绝缘钝化层；最后，在上下电极引线末端开窗并淀积一层金属薄膜作为接线层(见图4)，再将特定的气体吸附材料转移至传感器最顶端。
本发明的主要优势和创新之处体现在两个方面：电容式电桥结构借助薄膜共振现象可最大限度地放大气体传感器的微弱信号，超越传统电阻式电桥结构的放大效果；使用微机电系统工艺制作的超声阵列中，单个超声单元结构可靠性高，形成的超声阵列冗余度高，因此，该气体传感器也具备高鲁棒性。

Claims (1)

1.一种基于电容式电桥结构的超声阵列气体传感器，包括可变电阻R、第一电阻R1、第二电阻R2、可变电容C1、参考电容C2，其特征在于：
所述的可变电阻R的一端与可变电容C1的一端连接后接电源VCC，可变电阻R的另一端与第一电阻R1的一端连接后作为输出电压Vout的正极，可变电容C1的另一端、参考电容C2的一端和第二电阻R2的一端连接后作为输出电压Vout的负极，第一电阻R1的另一端、第二电阻R2的另一端和参考电容C2的另一端连接后接地；
所述的可变电容C1和参考电容C2结构相同，均采用超声阵列电容，主体结构从下往上依次包括：基底(1)、下SiO2薄膜层(2)、下电极层(3)、上SiO2薄膜层(4)、牺牲层(5)、下振膜层(6)、上振膜层(7)、上电极层(8)、绝缘钝化层(9)、接线层(10)、气体吸附层(11)；所述的可变电容C1和参考电容C2的各薄膜层的厚度为100～2000nm；其中：
基底(1)的作用是支撑固定，其材料为硅片；
下SiO2薄膜层(2)为下电极的支撑层，并起绝缘保护作用；
下电极层(3)为阵列结构，包括一组呈阵列布置的圆形下电极膜片(3-1)，对角位置的圆形下电极膜片(3-1)通过条形下电极膜片(3-2)连通，边沿的一个圆形下电极膜片(3-1)引出下电极(3-3)；所有的圆形下电极膜片(3-1)和条形下电极膜片(3-2)，以及下电极(3-3)的材料相同，构成下电极层(3)，下电极层(3)的材料为铝或多晶硅；
所述的圆形下电极膜片(3-1)的直径25um～40um，相邻两圆形下电极膜片(3-1)的圆心距为45um～65um；
上SiO2薄膜层(4)用于隔离保护下电极层(3)的阵列结构；
牺牲层(5)用来形成空腔，为振膜层的振动提供空间，包括一组呈阵列布置的圆形腐蚀膜片(5-1)和一组呈阵列布置的过渡腐蚀膜片(5-2)，所有圆形腐蚀膜片(5-1)与圆形下电极膜片(3-1)位置对应，所有的过渡腐蚀膜片(5-2)与两条条形下电极膜片(3-2)的相交处位置对应；对角位置的圆形腐蚀膜片(5-1)通过条形腐蚀膜片(5-3)和过渡腐蚀膜片(5-2)连通；所有的圆形腐蚀膜片(5-1)、过渡腐蚀膜片(5-2)和条形腐蚀膜片(5-3)材料相同，构成牺牲层(5)，牺牲层(5)的材料为Al或Cr；
所述的圆形腐蚀膜片(5-1)的面积小于圆形下电极膜片(3-1)，圆形腐蚀膜片(5-1)的直径为22.5um～37.5um；
下振膜层(6)为上电极层(8)的支撑层，其振动时带动上电极层(8)一起振动，并作为牺牲层(5)释放时的通道，使腐蚀液能够进入；下振膜层(6)覆盖于整个表面，开设有一组呈阵列布置的腐蚀通道(6-1)，每个腐蚀通道(6-1)开设在过渡腐蚀膜片(5-2)处，腐蚀通道(6-1)从下振膜层(6)上表面贯通至过渡腐蚀膜片(5-2)的上表面；
上振膜层(7)用于掩盖下振膜层(6)的腐蚀通道(6-1)，上振膜层(7)的材料为SiO2；
上电极层(8)为阵列结构，包括一组呈阵列布置的圆形上电极膜片(8-1)，所有的圆形上电极膜片(8-1)与圆形下电极膜片(3-1)位置对应，两者共同组成一个可振动电容结构；相邻位置的圆形上电极膜片(8-1)通过条形上电极膜片(8-2)连通，边沿的一个圆形上电极膜片(8-1)引出上电极(8-3)；所有的圆形上电极膜片(8-1)和条形上电极膜片(8-2)，以及上电极(8-3)的材料相同，构成上电极层(8)，上电极层(8)的材料为铝或多晶硅；
所述的圆形上电极膜片(8-1)的面积小于圆形下电极膜片(3-1)和圆形腐蚀膜片(5-1)，圆形上电极膜片(8-1)的直径为20um～35um；
绝缘钝化层(9)用于保护上电极层，免受外界环境干扰，并起绝缘作用，材料为氮化硅或氧化铝；
接线层(10)作为气体传感器和外部集成电路连接接口，包括分别附着在圆形下电极膜片(3-3)和圆形上电极膜片(8-3)上的下电极膜片(9-1)和上电极膜片(9-2)；下电极膜片(9-1)和上电极膜片(9-2)的直径大于圆形下电极膜片(3-3)和圆形上电极膜片(8-3)，且分别与圆形下电极膜片(3-3)和圆形上电极膜片(8-3)导通；
气体吸附层(11)用于吸附待检测气体，吸附后质量会有所改变；
所述的可变电容C1的表面能够吸附气体，吸附气体后电容会发生变化；当可变电容C1的超声阵列电容的振膜表面吸附气体时，会使得振膜的特征频率偏移，工作信号频率与振膜特征频率不相同时将使得其振动幅度快速降低，电容的容值随之发生变化，并且容值与吸附气体的质量成一一对应关系，通过计算得到具体吸附的气体质量；
所述的参考电容C2的表面不吸附气体，只作为参照组。
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