CN110988051A - 一种双模式mems气体传感器及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双模式MEMS气体传感器，包括衬底、第一绝缘支撑层、电阻加热层、第二绝缘支撑层、温度感测电极、第一叉指电极、第二叉指电极、掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料及微控器；第一绝缘支撑层设置在衬底上，电阻加热层设置在第一绝缘支撑层上，第二绝缘支撑层覆盖在电阻加热层上。第一叉指电极、第二叉指电极和温度感测电极设置在第二绝缘支撑层上。掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料覆盖在第一叉指电极、第二叉指电极和温度感测电极上。温度感测电极位于第一叉指电极和第二叉指电极之间。本发明提供的双模式MEMS气体传感器，可对环境中各种浓度有毒有害气体和可燃气体进行有效检测。
Description
技术领域
本发明涉及半导体传感器技术领域，特别涉及一种双模式MEMS气体传感器及其工作方法。
背景技术
随着生活水平的提高，人们对环境空气状况越来越关注，催生了气体传感器的广泛应用。在室内空气污染物的检测中，金属氧化物半导体气体传感器适合测试低浓度有毒有害气体，得到了广泛应用。在煤矿安全应用等可燃气体检测中，催化燃烧式气体传感器应用较为普遍。但是，在某些应用场景下，环境里可能存在多种有毒有害或危险气体，且被测试气体可能涵盖较大的浓度范围，在这种情况下，传统单一类型的气体传感器，往往会面临着性能限制，表现出诸多不足。
气体传感器在智能家居中的一个典型应用场景是厨房，理想的厨房气体污染物测试期望可以达成以下功能：测试油烟气体浓度来控制抽油烟机的风量；测试可燃气体泄漏，进行抽气、切断气体管路和报警处理；测试燃烧不充分导致的CO浓度上升，进行抽气、报警处理；测试燃气灶具空烧造成的温度异常上升并进行处置。在测试低浓度油烟气体时，较好的方式是采用半导体式TVOC气体传感器，TVOC气体传感器同时可以测试室内家居、装修材料以及食物变质等其它挥发性污染气体，但是在测试高浓度油烟气体时，半导体式TVOC气体传感器容易出现饱和效应，难以准确区分高浓度气体浓度差异。测试可燃气体时，催化燃烧式气体传感器可以给出更可靠的数据，但是传统的催化燃烧式气体传感器需要活性元件与补偿元件同时工作，造成了功耗大、尺寸大，而且催化燃烧式气体传感器不能测试低浓度的有毒有害气体。在测试CO浓度时，半导体式气体传感器需要工作在较低温度下，而在测试油烟气体时，半导体式气体传感器需要工作在较高温度下；而测试燃气灶具工作造成的环境温度异常升高时，一般需要增加温度传感器，来避免无油烟时半导体式气体传感器无响应。
因此，目前市场上单一传感器无法满足上述所有需求，而多传感器的使用则会造成产品成本的升高，不利用新产品的推广应用，因此，迫切需要一种多功能、低成本的气体感测解决方案。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的难以对环境中各种浓度有毒有害气体和可燃气体进行有效检测的技术问题，提供了一种双模式MEMS气体传感器及其工作方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种双模式MEMS气体传感器，其特征在于，包括：
-MEMS微热盘，包括：衬底、第一绝缘支撑层、电阻加热层及第二绝缘支撑层；
-温度感测装置，包括：温度感测电极；
-气敏电阻测量装置，包括：第一叉指电极及第二叉指电极；
-掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料；以及
-微控器；其中：
所述第一绝缘支撑层设置在所述衬底上，所述电阻加热层设置在所述第一绝缘支撑层上，所述第二绝缘支撑层覆盖在所述电阻加热层上；
所述第一叉指电极、第二叉指电极和所述温度感测电极设置在所述第二绝缘支撑层上；
所述掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料覆盖在所述第一叉指电极、第二叉指电极和温度感测电极上；所述掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料工作在半导体气敏原理和催化燃烧原理双模式下，通过检测所述掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料的气敏电阻得到环境中有毒有害气体浓度；通过检测所述MEMS微热盘加热功率得到可燃气体浓度；
所述第一叉指电极、第二叉指电极和所述温度感测电极位于同一层内，所述温度感测电极位于所述第一叉指电极和第二叉指电极之间。
其优选方案中，所述衬底的材料为是单晶硅、多晶硅、石英、蓝宝石、氧化钇、多孔阳极氧化铝或多孔硅。
其优选方案中，所述第一绝缘支撑层的材料为氮化硅、氧化硅或氮氧化硅。
其优选方案中，所述第二绝缘支撑层的材料为氮化硅、氧化硅或氮氧化硅。
其优选方案中，所述电阻加热层的材料为贱金属、贱金属合金、掺杂单晶硅、掺杂多晶硅、导电金属碳化物、导电金属氮化物或导电金属氧化物。
本发明还提供了一种双模式MEMS气体传感器的工作方法，包括：
将所述双模式MEMS气体传感器周期性工作在恒定低温、恒定中温及恒定高温下；其中，所述恒定低温时掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料气敏电阻对污染气体无响应，对可燃气体无催化燃烧效应；所述恒定中温时掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料气敏电阻对有毒有害气体有响应，对可燃气体无显著催化燃烧效应；所述恒定高温时掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料气敏电阻对有毒有害气体有响应，对可燃气体有显著催化燃烧效应；
在恒定低温时，通过微控器测试温度感测电极，得到MEMS微热盘加热功率以校准和评估环境因素；在恒定中温时，通过微控器测试气敏电阻测量装置，得到掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料的气敏电阻，通过半导体气敏原理得出有毒有害气体浓度；在恒定高温时，通过微控器测试MEMS微热盘和温度感测装置，获取恒定温度下MEMS微热盘加热功率，得出可燃气体浓度。
其优选方案中，所述MEMS微热盘的工作温度为100-500℃。
本发明提供的双模式MEMS气体传感器及其工作方法至少具备以下有益效果或优点：
本发明提供的双模式MEMS气体传感器，第一绝缘支撑层设置在衬底上，电阻加热层设置在第一绝缘支撑层上，第二绝缘支撑层覆盖在电阻加热层上。第一叉指电极、第二叉指电极和温度感测电极设置在第二绝缘支撑层上。掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料覆盖在第一叉指电极、第二叉指电极和温度感测电极上。第一叉指电极、第二叉指电极和温度感测电极位于同一层内，温度感测电极位于第一叉指电极和第二叉指电极之间。掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料工作在半导体气敏原理和催化燃烧原理双模式下，通过检测掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料的气敏电阻得到环境中有毒有害气体浓度；通过检测MEMS微热盘加热功率得到可燃气体浓度。克服了现有技术方案中的不足，可以对环境中各种浓度有毒有害气体和可燃气体进行有效检测，同时可对环境温度变化进行评估，产品成本低，可靠性高。
附图说明
图1为本发明实施例提供的双模式MEMS气体传感器结构示意图；
图2为图1中的A-A剖视图；
图3为实施例二中的双模式MEMS气体传感器工作原理图；
图4为实施例三中的双模式MEMS气体传感器工作原理图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-衬底，2-第一绝缘支撑层，3-电阻加热层，4-第二绝缘支撑层，5-第一叉指电极，6-掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料，7-第二叉指电极，8-温度感测电极，8A-温度感测电极的一端，8B-温度感测电极的另一端。
具体实施方式
本发明实施例针对现有技术中存在的难以对环境中各种浓度有毒有害气体和可燃气体进行有效检测的技术问题，提供了一种双模式MEMS气体传感器及其工作方法。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
参见图1及图2，本发明实施例提供了一种双模式MEMS气体传感器，包括：MEMS微热盘、温度感测装置、气敏电阻测量装置、掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料6及微控器；其中，MEMS微热盘包括：衬底1、第一绝缘支撑层2、电阻加热层3及第二绝缘支撑层4，MEMS微热盘采用具有高温度系数的电阻发热材料，其温度感测装置可以同时是MEMS微热盘的电阻发热材料。温度感测装置包括：温度感测电极8。气敏电阻测量装置包括：第一叉指电极5及第二叉指电极7。第一绝缘支撑层2设置在衬底1上，电阻加热层3设置在第一绝缘支撑层2上，第二绝缘支撑层4覆盖在电阻加热层3上。第一叉指电极5、第二叉指电极7和温度感测电极8设置在第二绝缘支撑层4上。掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料6覆盖在第一叉指电极5、第二叉指电极7和温度感测电极8上。掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料6工作在半导体气敏原理和催化燃烧原理双模式下，通过检测掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料6的气敏电阻得到环境中有毒有害气体浓度；通过检测MEMS微热盘加热功率得到可燃气体浓度。第一叉指电极5、第二叉指电极7和温度感测电极8位于同一层内，温度感测电极8位于第一叉指电极5和第二叉指电极7之间。
本发明实施例提供的双模式MEMS气体传感器，衬底1的材料为是单晶硅、多晶硅、石英、蓝宝石、氧化钇、多孔阳极氧化铝或多孔硅。其中，单晶硅(包括N型和P型掺杂的硅晶体)应用于MEMS衬底中，其优点是容易在衬底1上集成CMOS集成电路，具有成熟的MEMS工艺方案、设备。多晶硅具有比单晶硅更低的成本，工艺方案、设备与单晶硅类似，可以降低MEMS衬底成本。石英的热导系数约为7.6W/mK，衬底的热导系数约为150W/mK，石英的热导系数约为Si的热导系数的1/20；蓝宝石的热导系数约为45W/mK，约为Si衬底热导系数的1/3；氧化钇的热导系数约为5W/mK，约为Si衬底热导系数的1/30；采用石英、蓝宝石或氧化钇衬底可以实现更好的温度隔离。除了上述材料之外，也可以选择多孔材料作为衬底，如阳极氧化铝和多孔硅衬底，空气的热导率仅为0.01-0.04W/mK，选择多孔材料作为衬底可以实现更低的热导率。
本发明实施例提供的双模式MEMS气体传感器，第一绝缘支撑层2的材料为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、石英、蓝宝石或氧化钇。第二绝缘支撑层4的材料为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、石英、蓝宝石或氧化钇。采用CVD(化学气相沉积)工艺形成的氮化硅绝缘薄膜支撑层具有较高的力学强度，能够承受MEMS高温工作导致的热应力；采用CVD工艺形成的氧化硅薄膜具有较低的热导系数，可以实现更好的温度隔离；采用CVD工艺形成的氮氧化硅薄膜，可以调配薄膜力学性能、热导系数、薄膜应力，实现高度可靠的MEMS微热盘结构。
本发明实施例提供的双模式MEMS气体传感器，电阻加热层3的材料为贱金属、贱金属合金、掺杂单晶硅、掺杂多晶硅、导电金属碳化物、导电金属氮化物或导电金属氧化物。其中，电阻加热层3材料采用Ti、W等贱金属、贱金属合金，可以降低电极材料成本，更好兼容传统CMOS工艺。电阻加热层3材料采用掺杂单晶硅、掺杂多晶硅，可以降低电阻加热层与薄膜支撑层之间热膨胀系数失配，同时降低材料成本，更好兼容传统的CMOS工艺。电阻加热层3材料采用合适的导电金属碳化物、导电金属氮化物或导电金属氧化物，可以降低电阻加热层与薄膜支撑层之间热膨胀系数失配，改善MEMS微热盘的耐高温性能，同时降低材料成本。
本发明实施例提供的双模式MEMS气体传感器，掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料6采用具有半导体气敏效应的金属氧化物材料为基体材料，包括二氧化锡、三氧化物、三氧化钼、二氧化钛、氧化锌、氧化铁等其中的一种或多种组合。当环境里存在有害气体时，被检测气体在气敏半导体材料表面反应供给半导体电子，从而改变半导体的电阻，可以通过检测材料的电阻变化来评估被检测气体浓度，这种工作模式是半导体气敏机理工作模式，可以通过向基体材料中添加少量掺杂元素来改善灵敏度、响应速度和工作稳定性。催化燃烧气敏机理是，通过加热催化材料，使得环境里可燃气体在催化剂表面发生无焰燃烧，燃烧造成传感器温度升高或产生放热效应，通过探测催化燃烧造成的温升或放热效应来评估可燃气体浓度，催化剂一般选择具有高催化活性的贵金属纳米材料，包括金、钯、铂、银、钌、铑、锇、铱等其中一种或多种组合，掺杂浓度一般在1％-10％之间。传统的催化燃烧气体传感器将纳米贵金属催化剂附着在二氧化硅、三氧化二铝等惰性载体粉体材料上，本发明通过将这些贵金属纳米材料附着在金属氧化物基体材料上，既可以采用半导体气敏机理检测有害气体浓度，也可以采用催化燃烧机理检测可燃气体浓度，是一种创新的双模式同时工作MEMS气体传感器。
本发明实施例提供的双模式MEMS气体传感器，微控器是一种集成电路芯片，把具有数据处理能力的中央处理器(CPU)、随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、模拟数字转换器、多种IO口和中断系统、定时器/计数器等功能集合形成的完善的微型计算机系统，实现数据采样、补偿、校准、输出等功能。
实施例二
参见图1-图3，本发明实施例还提供了一种双模式MEMS气体传感器的工作方法，包括：
将双模式MEMS气体传感器周期性工作在恒定低温、恒定中温及恒定高温下。其中，恒定低温时掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料6气敏电阻对污染气体无响应，对可燃气体无催化燃烧效应。恒定中温时掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料6气敏电阻对有毒有害气体有响应，对可燃气体无显著催化燃烧效应。恒定高温时掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料6气敏电阻对有毒有害气体有响应，对可燃气体有显著催化燃烧效应。
图3为本发明提供的双模式MEMS气体传感器的工作原理图。参见图1-图3，MEMS微热盘通过加热电阻RH焦耳热来实现温度升高，通过检测RH的电阻值和施加的电压可以得出MEMS微热盘加热功率，通过改变PWM波占空比来改变加热功率，温度感测装置电阻RT随温度变化而变化，气敏电阻测量装置输出掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料6气敏电阻Rs，微控器对RH、RT、Rs采样进行模拟数值转换(ADC),当发现RT与设定温度偏差时，通过改变PWM占空比来改变加热功率，从而实现工作温度恒定。在环境里有毒有害气体浓度发生变化时，气体传感器工作时Rs会发生变化，由半导体气敏原理来得出有毒有害气体浓度，当环境里存在可燃气体且传感器工作在催化燃烧温度时，贵金属催化剂催化可燃气体进行无焰燃烧，由RT可检测到温升，微控器通过降低PWM占空比，从而降低加热功率来实现MEMS微热盘来实现温度恒定，可通过加热功率的变化来评估催化燃烧效应，从而得出可燃气体浓度。
在恒定低温时，通过微控器测试温度感测电极，得到MEMS微热盘加热功率以校准和评估环境因素；其中，MEMS微热盘的工作温度为100-500℃。例如，气体传感器工作在低温150℃时，掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料气敏电阻对污染气体无响应，对可燃气体无催化燃烧效应。通过分析加热功率的变化趋势，可以得出环境温度变化、环境气体热导率变化情况。
在恒定中温时，通过微控器测试气敏电阻测量装置，得到掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料6的气敏电阻，通过半导体气敏原理得出有毒有害气体浓度。例如，气体传感器工作在中温200℃时，掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料气敏电阻对有毒有害气体有响应，对可燃气体无显著催化燃烧效应。此温度下，Rs对VOCs气体响应不灵敏，对CO气体响应灵敏，通过感测Rs变化，由半导体气敏原理可以得出环境CO气体浓度。
在恒定高温时，通过微控器测试MEMS微热盘和温度感测装置，获取恒定温度下MEMS微热盘加热功率，得出可燃气体浓度。例如，气体传感器工作在高温400℃时，掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料6气敏电阻对有毒有害气体有响应，对可燃气体有显著催化燃烧效应。此温度下，Rs对VOCs气体响应灵敏，对CO气体响应不灵敏，通过感测Rs变化，由半导体气敏原理可以得出环境VOCs气体浓度。当有可燃气体存在时，贵金属催化剂催化可燃气体进行无焰燃烧，由RT可检测到温升，微控器通过降低PWM占空比，从而降低加热功率来实现MEMS微热盘来实现温度恒定，可通过加热功率的变化来评估催化燃烧效应，从而得出可燃气体浓度。
实施例三
参见图1、图2及图4,本发明实施例还提供了另一种双模式MEMS气体传感器的工作方法，包括：
将双模式MEMS气体传感器周期性工作在恒定低温、恒定中温及恒定高温下。其中，恒定低温时掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料6气敏电阻对污染气体无响应，对可燃气体无催化燃烧效应。恒定中温时掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料6气敏电阻对有毒有害气体有响应，对可燃气体无显著催化燃烧效应。恒定高温时掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料6气敏电阻对有毒有害气体有响应，对可燃气体有显著催化燃烧效应。
图3为实施例三提供的双模式MEMS气体传感器的工作原理图。MEMS微热盘通过加热电阻RH焦耳热来实现温度升高，通过检测RH的电阻值和施加的电压可以得出MEMS微热盘加热功率，通过改变PWM波占空比来改变加热功率，RH有较大的温度系数，同时可作为温度感测装置，气敏电阻测量装置输出掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料气敏电阻Rs，微控器对RH、Rs采样进行模拟数值转换(ADC),当发现RH与设定温度偏差时，通过改变PWM占空比来改变加热功率，从而实现工作温度恒定。在环境里有毒有害气体浓度发生变化时，气体传感器工作时Rs会发生变化，由半导体气敏原理来得出有毒有害气体浓度，当环境里存在可燃气体且传感器工作在催化燃烧温度时，贵金属催化剂催化可燃气体进行无焰燃烧，由RH可检测到温升，微控器通过降低PWM占空比，从而降低加热功率来实现MEMS微热盘来实现温度恒定，可通过加热功率的变化来评估催化燃烧效应，从而得出可燃气体浓度。
在恒定低温时，通过微控器测试温度感测电极，得到MEMS微热盘加热功率以校准和评估环境因素；其中，MEMS微热盘的工作温度为100-500℃。例如，气体传感器工作在低温100℃下，掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料气敏电阻对污染气体无响应，对可燃气体无催化燃烧效应。通过分析加热功率的变化趋势，可以得出环境温度变化、环境气体热导率变化情况。
在恒定中温时，通过微控器测试得到掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料6的气敏电阻，通过半导体气敏原理得出有毒有害气体浓度。例如，气体传感器工作在中温200℃下，掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料6气敏电阻对有毒有害气体有响应，对可燃气体无显著催化燃烧效应。此温度下，Rs对VOCs气体响应不灵敏，对CO气体响应灵敏，通过感测Rs变化，由半导体气敏原理可以得出环境CO气体浓度。
在恒定高温时，通过微控器测试MEMS微热盘和温度感测装置，获取恒定温度下MEMS微热盘加热功率，得出可燃气体浓度。例如，气体传感器工作在高温350℃下，掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料6气敏电阻对有毒有害气体有响应，对可燃气体有显著催化燃烧效应。此温度下，Rs对VOCs气体响应灵敏，对CO气体响应不灵敏，通过感测Rs变化，由半导体气敏原理可以得出环境VOCs气体浓度。当有可燃气体存在时，贵金属催化剂催化可燃气体进行无焰燃烧，由RH可检测到温升，微控器通过降低PWM占空比，从而降低加热功率来实现MEMS微热盘来实现温度恒定，可通过加热功率的变化来评估催化燃烧效应，从而得出可燃气体浓度。
本发明实施例中，掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料气敏电阻与有毒有害气体浓度、可燃气体浓度之间的函数关系可通过本领域的常规实验方法获得，在此不再展开说明。
此外，本发明实施例提供的双模式MEMS气体传感器的工作方法，可通过控制中温和高温的工作温度来实现掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料6的气敏电阻对不同有毒有害气体的选择性，在在中温时微控器测试气敏电阻测量装置，得到掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料6气敏电阻，得出第一类有毒有害气体浓度；在高温时测试气敏电阻测量装置，得到掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料6气敏电阻，得出第二类有毒有害气体浓度。
本发明实施例提供的一种双模式MEMS气体传感器，其MEMS微热盘工作温度测量和掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料6敏感电阻测量，可以按照下述两种方法之一进行：方法一：测量温度感测电极一端8A与温度感测电极另一端8B之间的电阻，得出MEMS微热盘工作温度。将温度感测电极一端8A与温度感测电极另一端8B断开，测量第一叉指电极5与第二叉指电极7之间的掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料6敏感电阻，得出有害气体浓度值。方法二：测量温度感测电极一端8A与温度感测电极另一端8B之间的电阻，得出MEMS微热盘工作温度。将温度感测电极一端8A与温度感测电极另一端8B作为一极，将第一叉指电极5和第二叉指电极7作为另一极，测量两极之间的掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料6的敏感电阻，进而得出有害气体浓度值。MEMS微热盘工作温度测量和掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料6的敏感电阻测量交替周期进行。
本发明实施例提供的双模式MEMS气体传感器及其工作方法至少具备以下有益效果或优点：
本发明实施例提供的双模式MEMS气体传感器，第一绝缘支撑层设置在衬底上，电阻加热层设置在第一绝缘支撑层上，第二绝缘支撑层覆盖在电阻加热层上。第一叉指电极、第二叉指电极和温度感测电极设置在第二绝缘支撑层上。掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料覆盖在第一叉指电极、第二叉指电极和温度感测电极上。第一叉指电极、第二叉指电极和温度感测电极位于同一层内，温度感测电极位于第一叉指电极和第二叉指电极之间。掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料工作在半导体气敏原理和催化燃烧原理双模式下，通过检测掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料的气敏电阻得到环境中有毒有害气体浓度；通过检测MEMS微热盘加热功率得到可燃气体浓度。克服了现有技术方案中的不足，可以对环境中各种浓度有毒有害气体和可燃气体进行有效检测，同时可对环境温度变化进行评估，产品成本低，可靠性高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种双模式MEMS气体传感器，其特征在于，包括：
-MEMS微热盘，包括：衬底(1)、第一绝缘支撑层(2)、电阻加热层(3)及第二绝缘支撑层(4)；
-温度感测装置，包括：温度感测电极；
-气敏电阻测量装置，包括：第一叉指电极(5)及第二叉指电极(7)；
-掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料(6)；以及
-微控器；其中：
所述第一绝缘支撑层(2)设置在所述衬底(1)上，所述电阻加热层(3)设置在所述第一绝缘支撑层(2)上，所述第二绝缘支撑层(4)覆盖在所述电阻加热层(3)上；
所述第一叉指电极(5)、第二叉指电极(7)和所述温度感测电极(8)设置在所述第二绝缘支撑层(4)上；
所述掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料(6)覆盖在所述第一叉指电极(5)、第二叉指电极(7)和温度感测电极(8)上；所述掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料(6)工作在半导体气敏原理和催化燃烧原理双模式下，通过检测所述掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料(6)的气敏电阻得到环境中有毒有害气体浓度；通过检测所述MEMS微热盘加热功率得到可燃气体浓度；
所述第一叉指电极(5)、第二叉指电极(7)和所述温度感测电极(8)位于同一层内，所述温度感测电极(8)位于所述第一叉指电极(5)和第二叉指电极(7)之间。
2.根据权利要求1所述的双模式MEMS气体传感器，其特征在于，所述衬底(1)的材料为是单晶硅、多晶硅、石英、蓝宝石、氧化钇、多孔阳极氧化铝或多孔硅。
3.根据权利要求1所述的双模式MEMS气体传感器，其特征在于，所述第一绝缘支撑层(2)的材料为氮化硅、氧化硅或氮氧化硅。
4.根据权利要求1所述的双模式MEMS气体传感器，其特征在于，所述第二绝缘支撑层(4)的材料为氮化硅、氧化硅或氮氧化硅。
5.根据权利要求1所述的双模式MEMS气体传感器，其特征在于，所述电阻加热层(3)的材料为贱金属、贱金属合金、掺杂单晶硅、掺杂多晶硅、导电金属碳化物、导电金属氮化物或导电金属氧化物。
6.一种双模式MEMS气体传感器的工作方法，其特征在于，包括：
将所述双模式MEMS气体传感器周期性工作在恒定低温、恒定中温及恒定高温下；其中，所述恒定低温时掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料(6)气敏电阻对污染气体无响应，对可燃气体无催化燃烧效应；所述恒定中温时掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料(6)气敏电阻对有毒有害气体有响应，对可燃气体无显著催化燃烧效应；所述恒定高温时掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料(6)气敏电阻对有毒有害气体有响应，对可燃气体有显著催化燃烧效应；
在恒定低温时，通过微控器测试温度感测电极，得到MEMS微热盘加热功率以校准和评估环境因素；在恒定中温时，通过微控器测试气敏电阻测量装置，得到掺杂贵金属催化剂金属氧化物半导体材料(6)的气敏电阻，通过半导体气敏原理得出有毒有害气体浓度；在恒定高温时，通过微控器测试MEMS微热盘和温度感测装置，获取恒定温度下MEMS微热盘加热功率，得出可燃气体浓度。
7.根据权利要求6所述的双模式MEMS气体传感器的工作方法，其特征在于，所述MEMS微热盘的工作温度为100-500℃。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200410 |