CN114018990A - 一种多模式工作mems气体传感器及其工作方法 - Google Patents

一种多模式工作mems气体传感器及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种多模式工作MEMS气体传感器及其工作方法。该双模式工作MEMS气体传感器包括衬底、第一绝缘支撑层、加热电阻层、第二绝缘支撑层、敏感电极层、半导体气敏材料层、燃烧催化材料层，悬膜通孔。本发明通过在MEMS微热板加热区的悬膜正反面分别附着半导体气敏材料和燃烧催化材料，从而在同一MEMS微热板上实现半导体式和催化燃烧式气体传感器两种工作方式稳定可靠检测。该MEMS气体传感器尺寸小、成本低、检测气体种类多。

Description

一种多模式工作MEMS气体传感器及其工作方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种多模式工作MEMS气体传感器及其工作方法。
背景技术
可燃气体作为化学能源存储方式，是一种重要的能源形式。燃气灶具、热水器在居民家庭生活中广泛使用；汽油、柴油目前仍然是汽车的主要能源供给方式，氢能源汽车则可能是未来解决环境污染的较佳方案。燃气泄漏会造成严重的火灾、爆炸事故，燃气泄漏检测催生了对可燃气体传感器的巨大市场需求。另外，含碳可燃气体在燃烧时，燃烧不充分容易产生CO等毒气，严重威胁着人们生命安全和健康。因此，迫切需要低成本高品质的可燃气体传感器，以及CO等毒气气体传感器。
目前，可燃气体成熟的检测方案为通过催化方式使可燃气体发生无焰燃烧，通过感测燃烧产生的热量来检测可燃气体的浓度；CO等毒气采用半导体式气体传感器或电化学式气体传感器进行检测；另外，也有部分厂家只采用半导体式气体传感器，通过双工作温度来同时检测甲烷和CO气体，但因为半导体式气体传感器存在选择性差、抗干扰性差等问题，容易产生误报和漏报，难以满足越来越高的检测需求。在实际使用中，采用单一半导体式气体传感器检测能力受限，而采用多传感器方案时则成本较高，不利于产品推广。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供了一种多模式工作MEMS气体传感器及其工作方法，以解决现有可燃气体和CO等毒气检测技术中存在的问题。
本发明所提供的技术方案如下：
一种多模式工作MEMS气体传感器，包括：
衬底；
设置在所述衬底上的第一绝缘支撑层；
设置在所述第一绝缘支撑层上的加热电阻层；
设置在所述加热电阻层上的第二绝缘支撑层；
设置在所述第二绝缘支撑层上的敏感电极层；
设置在所述敏感电极层上的半导体气敏材料层，所述敏感电极层电连接所述半导体气敏材料层；
以及设置在所述第一绝缘支撑层的悬膜下的燃烧催化材料层。
上述技术方案中：
基于加热电阻层的工作，气体传感器可工作在高低两个恒温条件下；
半导体气敏材料层阻值可工作在低恒温下，获取其阻值变化，可获得第一成分气体浓度；
燃烧催化材料层工作在高恒温下，并通过燃烧第二成分气体放热。同时，可基于加热电阻层获得其在燃烧催化材料层工作前、后功率的变化，并结合第二成分气体浓度和燃烧功率的关系，而获得第二成分气体浓度。
具体的，所述衬底的材料为单晶硅。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上集成CMOS集成电路，具有成熟的MEMS工艺方案、设备。
具体的，所述第一绝缘支撑层、第二绝缘支撑层的材料为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅。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。
具体的，所述加热电阻层包括：
至少一根加热电阻丝，其设置在所述第一绝缘支撑层和所述第二绝缘支撑层之间，其布置的路径经过所述半导体气敏材料层和燃烧催化材料层在所述第一绝缘支撑层上的投影区域；
以及至少一个第一焊接部，所述加热电阻丝的两端分别电连接所述第一焊接部，所述第一焊接部用于电连接加热电阻的工作及温度感测电路。基于同一加热电阻丝的加热电阻的工作及温度感测电路为现有技术，例如对加热电路中加热电阻丝串联一个固定分压电阻并采样其分压来监控其加热电阻及加热温度，通过调控加热功率稳定加热电阻丝工作电阻来恒定其工作温度。
具体的，所述加热电阻丝和所述第一焊接部的数量均为两个，两个所述加热电阻丝和两个所述第一焊接部以所述第二绝缘支撑层的中心进行中心对称设置。
具体的，所述加热电阻丝为Pt或Pt合金。Pt或Pt合金可以通过溅射或蒸发工艺沉积，通过剥离工艺实现图案化，Pt或Pt合金加热电阻层具有良好的高温稳定性，同时Pt或Pt合金具有较大的正温度系数，可通过对加热电阻测量得到加热温度，实现微热板工作温度高精度测量。
具体的，所述敏感电极层包括：
固定在所述第二绝缘支撑层上第一敏感电极和第二敏感电极；
两个第二焊接部，所述第一敏感电极和所述第二敏感电极分别电连接一个所述的第二焊接部，两个所述的第二焊接部分别用于电连接敏感电阻感测电路。通过半导体气敏材料层电阻的变化测试待测气体浓度。
具体的，所述第一敏感电极和所述第二敏感电极构成叉指电极。
具体的，所述第一敏感电极的材料和所述第二敏感电极的材料分别为贵金属材料。例如，可采用Pt、Au等贵金属形成的叉指电极，具有较好的环境稳定性。
具体的，两个所述第人焊接部以所述第二绝缘支撑层的中心进行中心对称设置。
具体的，所述半导体气敏材料层的材料为掺杂或未掺杂的SnO2、WO3或In2O3。
具体的，所述半导体气敏材料层在所述第二绝缘支撑层上的投影位于其中心区域。
具体的，所述燃烧催化材料层的材料选自为贵金属Pd、Pt、Au中一种或多种掺杂的Si3N4、SiO2或Al2O3材料，实现与薄膜支撑层更好兼容，实现更可靠的器件结构
具体的，所述燃烧催化材料层在所述第一绝缘支撑层上的投影位于其中心区域。
优选的，所述半导体气敏材料层和所述燃烧催化材料层相对设置。
进一步的，所述气体传感器还设置有绕所述燃烧催化材料层和所述半导体气敏材料层的周向设置的贯穿各层的悬膜通孔。
基于上述技术方案，在所述第一绝缘支撑层、第二绝缘支撑层组成的悬膜边缘上开通孔，实现气体在悬膜两面扩散。
本发明还提供了上述多模式工作MEMS气体传感器的工作方法，包括以下步骤：控制所述加热电阻层的加热功率使气体传感器周期性工作在高、低二个恒定温度下，在低温温度下所述半导体气敏材料层工作，获得所述半导体气敏材料层阻值的变化从而感测出被测气体中第一成分的浓度，在高温温度下所述燃烧催化材料层工作，根据恒温加热过程中所述加热电阻层在所述燃烧催化材料层工作前、后加热功率值的变化值，结合第二成分的浓度与燃烧反应功率的对应关系，获得第二成分的浓度，其中，在低恒定温度下，所述燃烧催化材料层不进行催化燃烧，在高恒定温度下，所述燃烧催化材料层进行催化燃烧。
本发明所提供的多模式工作MEMS气体传感器在上述工作方式下，可对被测气体中的两种气体成分分别测定出浓度。
具体的：低温温度在50-350℃之间；高温温度在350-450℃之间。
为消除环境温度变化、气体热导率变化、老化效应等对加热电阻层的加热功率的影响，设置低温温度一下燃烧催化材料层不发生气体催化燃烧，高温温度二下燃烧催化材料层发生气体催化燃烧，可通过高温温度二加热功率对低温温度一加热功率的变化来得出可燃气体浓度。
本发明通过在MEMS微热板加热区的悬膜正反面分别附着半导体气敏材料和燃烧催化材料，从而在同一MEMS微热板上实现半导体式和催化燃烧式气体传感器两种工作方式稳定可靠检测。该MEMS气体传感器尺寸小、成本低、检测气体种类多。
附图说明
图1是本发明所提供的多模式工作MEMS气体传感器的整体结构示意图。
图2是图1的A-A剖视图。
附图1、2中，各标号所代表的结构列表如下：
1、衬底，2、第一绝缘支撑层，3、加热电阻层，4、第二绝缘支撑层，5、敏感电极层，501、第一敏感电极，502、第二敏感电极，6、半导体气敏材料层，7、燃烧催化材料层，8、悬膜通孔。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
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。
在一个具体实施方式中，如图1、2所示，双模式工作MEMS气体传感器包括衬底1、第一绝缘支撑层2、加热电阻层3、第二绝缘支撑层4、敏感电极层5、半导体气敏材料层6、燃烧催化材料层7，悬膜通孔8；其中第一敏感电极501和第二敏感电极502组成的叉指电极，用于检测半导体气敏材料层6的电阻变化；加热电阻层由电极铂组成，实现加热功能同时可感测加热区域的工作温度；悬膜通孔8实现气体在悬膜两面扩散。
第一绝缘支撑层2设置在衬底1上，加热电阻层3设置在第一绝缘支撑层2上，第二绝缘支撑层4覆盖在加热电阻层3上；敏感电极层5设置在第二绝缘支撑层4上，由第一敏感电极501和第二敏感电极502组成叉指电极，半导体气敏材料层6附着在敏感电极层5和第二绝缘支撑层4加热工作区域上部。燃烧催化材料层7附着在第一绝缘支撑层2的悬膜下部，悬膜通孔8位于悬膜通孔的边缘。
其中，衬底1的材料为单晶硅；第一绝缘支撑层2、第二绝缘支撑层4的材料为氮化硅；加热层电阻3的材料为Pt；第一敏感电极501和第二敏感电极502材料采用Pt。半导体气敏材料层6采用贵金属Pd掺杂的SnO2，燃烧催化材料层7采用的是贵金属Pd掺杂的Si3N4材料。
在一个具体实施方式中，双模式工作MEMS气体传感器的工作方法包括如下步骤：
MEMS气体传感器周期性工作在200℃3秒、400℃1秒双温度下，在200℃下感测第一敏感电极501和第二敏感电极502之间的半导体气敏材料层6电阻来检测CO气体的浓度。在400℃下感测可燃气体（例如CH4）催化燃烧时加热电阻层3的加热功率与200℃下加热电阻层3的加热功率的差值，根据催化燃烧的气体浓度跟MEMS气体传感器400℃工作与200℃工作时电加热功率差值的对应关系标定可燃气体浓度。
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 (10)

1.一种多模式工作MEMS气体传感器，其特征在于，包括：
衬底（1）；
设置在所述衬底（1）上的第一绝缘支撑层（2）；
设置在所述第一绝缘支撑层（2）上的加热电阻层（3）；
设置在所述加热电阻层（3）上的第二绝缘支撑层（4）；
设置在所述第二绝缘支撑层（4）上的敏感电极层（5）；
设置在所述敏感电极层（5）上的半导体气敏材料层（6），所述敏感电极层（5）电连接所述半导体气敏材料层（6）；
以及设置在所述第一绝缘支撑层（2）的悬膜下的燃烧催化材料层（7）。
2.根据权利要求1所述的多模式工作MEMS气体传感器，其特征在于，所述加热电阻层（3）包括：
至少一根加热电阻丝，其设置在所述第一绝缘支撑层（2）和所述第二绝缘支撑层（4）之间，其布置的路径经过所述半导体气敏材料层（6）和燃烧催化材料层（7）在所述第一绝缘支撑层（2）上的投影区域；
以及至少一个第一焊接部，所述加热电阻丝的两端分别电连接所述第一焊接部，所述第一焊接部用于电连接加热电阻的工作及温度感测电路。
3.根据权利要求2所述的多模式工作MEMS气体传感器，其特征在于：
所述加热电阻丝和所述第一焊接部的数量均为两个，两个所述加热电阻丝和两个所述第一焊接部以所述第二绝缘支撑层（4）的中心进行中心对称设置；
所述加热电阻丝为Pt或Pt合金。
4.根据权利要求1所述的多模式工作MEMS气体传感器，其特征在于，所述敏感电极层（5）包括：
固定在所述第二绝缘支撑层（4）上第一敏感电极（501）和第二敏感电极（502）；
两个第二焊接部，所述第一敏感电极（501）和所述第二敏感电极（502）分别电连接一个所述的第二焊接部，两个所述的第二焊接部分别用于电连接敏感电阻感测电路。
5.根据权利要求4所述的多模式工作MEMS气体传感器，其特征在于：
所述第一敏感电极（501）和所述第二敏感电极（502）构成叉指电极；
所述第一敏感电极（501）的材料和所述第二敏感电极（502）的材料分别为贵金属材料；
两个所述第二焊接部以所述第二绝缘支撑层（4）的中心进行中心对称设置。
6.根据权利要求1所述的多模式工作MEMS气体传感器，其特征在于：
所述半导体气敏材料层（6）的材料为掺杂或未掺杂的SnO2、WO3或In2O3；
所述半导体气敏材料层（6）在所述第二绝缘支撑层（4）上的投影位于其中心区域。
7.根据权利要求1所述的多模式工作MEMS气体传感器，其特征在于：
所述燃烧催化材料层（7）的材料选自为贵金属Pd、Pt、Au中一种或多种掺杂的Si3N4、SiO2或Al2O3材料；
所述燃烧催化材料层（7）在所述第一绝缘支撑层（2）上的投影位于其中心区域。
8.根据权利要求1至7任一所述的多模式工作MEMS气体传感器，其特征在于：
所述半导体气敏材料层（6）和所述燃烧催化材料层（7）相对设置；
所述气体传感器还设置有绕所述燃烧催化材料层（7）和所述半导体气敏材料层（6）的周向设置的贯穿各层的悬膜通孔（8）。
9.一种根据权利要求1至8任一所述的多模式工作MEMS气体传感器的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：控制所述加热电阻层（3）的加热功率使气体传感器周期性工作在高、低二个恒定温度下，在低温温度下所述半导体气敏材料层（6）工作，获取所述半导体气敏材料层（6）阻值的变化从而感测出被测气体中第一成分的浓度，在高温温度下所述燃烧催化材料层（7）工作，根据恒温过程中所述加热电阻层（3）在所述燃烧催化材料层（7）工作前、后加热功率值的变化值，结合第二成分的浓度与燃烧反应功率的对应关系，获得第二成分的浓度，其中，在低恒定温度下，所述燃烧催化材料层（7）不进行催化燃烧，在高恒定温度下，所述燃烧催化材料层（7）进行催化燃烧。
10.根据权利要求9所述的工作方法，其特征在于：
低温温度在50-350℃之间；
高温温度在350-450℃之间。
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