CN114487036A - 一种带气体富集功能的mems气体传感器及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种带气体富集功能的MEMS气体传感器及其工作方法。该带气体富集功能的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、气体富集材料层和悬膜通孔。本发明通过气体富集材料的选择性富集与释放，提高气体传感器的灵敏度和选择性。该MEMS气体传感器尺寸小、成本低、灵敏度高、选择性好。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种带气体富集功能的MEMS气体传感器及其工作方法。
背景技术
在安全和健康领域，气体传感器具有非常多潜在应用领域。医学研究表明，人体呼出的特定气体浓度与人体重大疾病有直接相关性，通过对这些内源性生物标志物气体进行检测，可以实现早期重大疾病筛查。但在实际应用中，这些生物标志物气体浓度往往在ppb级别或者更低，对气体传感器的灵敏度提出了较高要求，另外，呼出气体成分复杂，对气体传感器的选择性也提出了很高要求，针对这些问题，目前尚没有系统完善的低成本解决方案，这些因素阻碍着气体传感器在相关领域的广泛应用。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供了一种带气体富集功能的MEMS气体传感器及其工作方法。
本发明所提供的技术方案如下：
一种带气体富集功能的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；
设置在所述第一绝缘支撑层的悬膜下的气体富集材料层；
以及绕所述气体富集材料层的周向设置的贯穿各层的悬膜通孔；
其中：
所述敏感电极层电连接所述半导体气敏材料层；
所述加热电阻层的加热及温度感测区域至少覆盖所述气体富集材料层所在区域。
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；
在低温温度下气体富集材料层可富集被测气体，在高温温度下，气体富集材料层可释放高浓度的被测气体，高浓度的被测气体可经由悬膜通孔达到半导体气敏材料层；
半导体气敏材料层的电阻值随着被测气体的浓度而改变，从而可根据半导体气敏材料层的电阻值与被测气体的浓度关系，测得被测气体的浓度。
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气体富集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，两个所述第二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，所述气体富集材料层的材料选自金属有机框架材料、共价有机框架材料、活性炭、碳纳米管或分子筛。
具体的，所述气体富集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气体富集材料层相对设置。
具体的，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带气体富集功能的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，在低温温度下所述气体富集材料层富集被测气体，在高温温度下，所述气体富集材料层释放高浓度的被测气体，被测气体穿过所述悬膜通孔，到达所述半导体气敏材料层，通过感测所述半导体气敏材料层阻值的变化检测被测气体浓度。
本发明所提供的带气体富集功能的MEMS气体传感器在上述工作方法下，通过对被测气体采取先富集、后集中释放以提高浓度的方式，可在被测气体浓度较低的情况下对被测气进行感测。
具体的，低温温度在室温-100℃之间；高温温度在100-350之间℃。
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层和气体富集材料层，从而在同一MEMS微热板上实现半导体式气体传感器和气体富集器功能，可通过气体富集材料的选择性富集与释放，提高气体传感器的灵敏度和选择性。该MEMS气体传感器尺寸小、成本低、灵敏度高、选择性好。
附图说明
图1是本发明所提供的带气体富集功能的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、气体富集材料层，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，带气体富集功能的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、气体富集材料层7和悬膜通孔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，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。气体富集材料层7附着在第一绝缘支撑层2的悬膜下部，悬膜通孔8位于悬膜通孔的周向边缘。
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；敏感电极层5材料采用Pt。半导体气敏材料层6采用贵金属Pd掺杂的SnO2，气体富集材料层7在一个实施中采用的是碳纳米管。
在一个具体的实施方式中，带气体富集功能的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40℃5秒、200℃1秒双温度下，在40℃下碳纳米管材料的气体富集材料层7大量吸附CO气体；在200℃下纳米管材料的气体富集材料层7瞬间释放出富集CO气体，CO气体浓度瞬间增大50倍，通过感测第一敏感电极501和第二敏感电极502之间的半导体气敏材料层6的电阻，并结合半导体气敏材料层的电阻值与被测气体的浓度关系，即可检测CO气体的浓度。
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)
1.一种带气体富集功能的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)；
设置在所述第一绝缘支撑层(2)的悬膜下的气体富集材料层(7)；
以及绕所述气体富集材料层(7)的周向设置的贯穿各层的悬膜通孔(8)；
其中：
所述敏感电极层(5)电连接所述半导体气敏材料层(6)；
所述加热电阻层(3)的加热及温度感测区域至少覆盖所述气体富集材料层(7)所在区域。
2.根据权利要求1所述的带气体富集功能的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气体富集材料层(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所述的带气体富集功能的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所述的带气体富集功能的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电连接敏感电阻感测电路。
5.根据权利要求4所述的带气体富集功能的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所述的带气体富集功能的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所述的带气体富集功能的MEMS气体传感器，其特征在于：
所述气体富集材料层(7)的材料选自金属有机框架材料、共价有机框架材料、活性炭、碳纳米管或分子筛；
所述气体富集材料层(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任一所述的带气体富集功能的MEMS气体传感器，其特征在于：所述半导体气敏材料层(6)和所述气体富集材料层(7)相对设置。
9.一种根据权利要求1至8任一所述的带气体富集功能的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，在低温温度下所述气体富集材料层(7)富集被测气体，在高温温度下，所述气体富集材料层(7)释放高浓度的被测气体，被测气体穿过所述悬膜通孔(8)，到达所述半导体气敏材料层(6)，通过感测所述半导体气敏材料层(6)阻值的变化检测被测气体浓度。
10.根据权利要求9所述的工作方法，其特征在于：
低温温度在室温-100℃之间；
高温温度在100-350之间℃。
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