CN115876835A - 一种差分量热式mems气体传感器及气体检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种差分量热式MEMS气体传感器及气体检测方法，该传感器包括检测热电堆、参考热电堆、环境电阻、屏蔽环，检测热电堆及参考热电堆均包括单晶硅衬底、隔热空腔、多个单晶硅热偶对及支撑膜，其中，隔热空腔位于单晶硅衬底内，多个单晶硅热偶对串联连接且通过支撑膜支撑以悬设于隔热空腔之上实现热隔离，单晶硅热偶对包括串联的N型单晶硅热偶及P型单晶硅热偶，其中，检测热电堆的中心设置有催化剂材料。本发明的传感器对于痕量气体催化吸放热非常灵敏，且响应及恢复速度快，气体的浓度线性检测范围宽，可用于各种基于催化吸放热的气体浓度检测。本发明的检测方法对气体具有良好的选择性，能够实现目标气体的快速、超灵敏检测。

Description

一种差分量热式MEMS气体传感器及气体检测方法

技术领域

本发明属于微电子机械系统及热传感技术领域，涉及一种差分量热式MEMS气体传感器及气体检测方法。

背景技术

氢能(H₂)是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源，已被广泛认为是化石燃料的一种重要替代品，在当今低碳、可持续全球能源转型中发挥着关键作用。然而，氢气在空气点燃可发生爆炸，在空气中爆炸极限～4％。因此，需要发展灵敏、快速的氢气传感技术，以确保安全储存、运输和工业使用。

目前，根据不同的检测原理，氢气传感器主要有电化学式、半导体式和催化燃烧式等。电化学和半导体H₂传感器，均利用H₂分子的吸附和扩散过程，其浓度检测的线性范围有限(通常浓度检测范围跨越～1-2个数量级)，响应和恢复速度慢(几十到数百秒)。而基于催化燃烧过程的H₂传感器，可实现更大线性范围(浓度检测范围跨越～3-4个数量级)和更快的响应速度(秒级)。然而，传统催化燃烧式传感器(如陶瓷管结构)尺寸大、工作温度高、功耗高、检测性局限。与之类似的，用于其他气体检测的气体传感器也面临相同的困境。随着具有低功耗和批量制造的微型、低成本的微机电(MEMS)技术快速发展，MEMS气体传感器越来越受到关注。

因此，如何提供一种差分量热式MEMS气体传感器及气体检测方法，以实现小型化、快速响应和恢复、高灵敏度及低功耗的基于催化吸放热的气体浓度的检测，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种差分量热式MEMS气体传感器及气体检测方法，用于解决现有技术中氢气传感器浓度检测范围有限、响应和恢复时间慢、功耗高以及尺寸较大等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种差分量热式MEMS气体传感器，包括邻接的参考热电堆及检测热电堆，所述参考热电堆及所述检测热电堆均包括以下结构：

单晶硅衬底；

隔热空腔，位于所述单晶硅衬底内多个单晶硅热偶对，串联且悬设于所述隔热空腔之上，所述单晶硅热偶对包括N型单晶硅热偶及P型单晶硅热偶，串联后的多个所述单晶硅热偶对的一端作为热端，串联后的多个所述单晶硅热偶对的另一端作为冷端；

支撑膜，位于所述单晶硅热偶对的上方以支撑所述单晶硅热偶对，所述热端位于所述支撑膜的中心区域，所述冷端位于所述支撑膜的边缘区域；

加热器，位于所述单晶硅热偶对的上方并均匀分布于所述热端的四周；

其中，所述检测热电堆还包括催化剂材料，所述催化剂材料位于所述检测热电堆的热端表面并覆盖所述加热器。

可选地，所述催化剂材料包括贵金属催化剂及非贵金属催化剂中的至少一种。

可选地，所述单晶硅热偶对包括直线型、折线型及曲线型中的至少一种。

可选地，所述支撑膜的直径范围是0.1mm～2mm，所述单晶硅热偶对的数量范围是2对～400对。

可选地，还包括屏蔽环，所述屏蔽环位于所述传感器的上表面且环绕所述参考热电堆及所述检测热电堆。

可选地，还包括环境电阻，所述环境电阻位于所述传感器的上表面且位于所述参考热电堆及所述检测热电堆之间。

可选地，所述参考热电堆及所述检测热电堆均还包括电极结构，所述电极结构包括热电堆加热电极及热电堆输出电极，所述热电堆加热电极与所述加热器电连接，所述热电堆输出电极与所述单晶硅热偶对电连接。

可选地，所述传感器用于基于催化放热原理的气体的检测，所述基于催化放热原理的气体包括氢气、甲烷、一氧化碳及乙烷中的至少一种。

本发明还提供一种气体检测方法气体检测方法，包括以下步骤：

提供如前所述的差分量热式MEMS气体传感器；

通过加热器使所述参考热电堆及所述检测热电堆升温到预设温度后将所述参考热电堆及所述检测热电堆保持该温度；

将所述传感器暴露于含有一定浓度目标气体的检测环境中使所述目标气体发生催化反应放热；

基于所述传感器的输出信号获取目标气体的浓度。

如上所述，本发明提供的差分量热式MEMS气体传感器，主要由参考热电堆及检测热电堆组成，每个热电堆的上表面集成了多对p型及n型掺杂的单晶硅热偶，通过对参考热电堆及检测热电堆之间热电堆的温差电动势信号做差分，得到与气体浓度成正比的差分信号(Vdiff)强度，能够实现痕量气体的浓度定量检测并且检测下限低(<1ppm)、线性范围大(2ppm～2％，4个数量级)，响应时间和恢复时间快(1s～2s)，并且该传感器的制作工艺简单，易实现低成本批量生产。此外，该传感器功耗低(仅数十mW)，对气体具有良好的选择性，能够满足目标气体的快速、超灵敏检测、实现目标气体泄漏的跟踪和早期预警。

附图说明

图1显示为本发明的差分量热式MEMS气体传感器的整体结构示意图。

图2显示为本发明的差分量热式MEMS气体传感器中参考热点对或检测热电堆的俯视示意图。

图3显示为本发明的差分量热式MEMS气体传感器的等效电路图。

图4显示为本发明的差分量热式MEMS气体传感器针对浓度的氢气进行测试时的响应曲线效果图。

图5显示为本发明的差分量热式MEMS气体传感器对不同浓度氢气进行测试得到的测试效果图。

图6显示为本发明的差分量热式MEMS气体传感器针对不同浓度的氢气进行测试时的响应曲线效果图。

元件标号说明

1 参考热电堆

2 检测热电堆

21 单晶硅衬底

22 隔热空腔

23 单晶硅热偶对

24 支撑膜

25 加热器

26 热电堆加热电极

27 热电堆输出电极

3 催化剂材料

4 屏蔽环

5 环境电阻

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

本实施例提供一种差分量热式MEMS气体传感器，请参阅图1，显示为该传感器的俯视示意图，包括邻接的参考热电堆1及检测热电堆2，请参阅图2，显示为所述参考热电堆1或所述检测热电堆2的俯视示意图，所述参考热电堆1及所述检测热电堆2均包括以下结构：单晶硅衬底21、隔热空腔22、单晶硅热偶对23、支撑膜24及加热器25。

所述隔热空腔22位于所述单晶硅衬底21内；多个所述单晶硅热偶对23串联且悬设于所述隔热空腔22之上，所述单晶硅热偶对23包括N型单晶硅热偶及P型单晶硅热偶，串联后的多个所述单晶硅热偶对23的一端作为热端，串联后的多个所述单晶硅热偶对23的另一端作为冷端；所述支撑膜24位于所述单晶硅热偶对23的上方以支撑所述单晶硅热偶对23，所述热端位于所述支撑膜24的中心区域，所述冷端位于所述支撑膜24的边缘区域。所述加热器位于所述单晶硅热偶对的上方并均匀分布于所述热端的四周；其中，所述检测热电堆2还包括催化剂材料3，所述催化剂材料3位于所述检测热电堆2的热端表面并覆盖所述加热器25。

具体的，所述单晶硅衬底21包括相对设置的正面与背面，所述隔热空腔22、所述单晶硅热偶对23以及所述支撑膜24等结构均基于所述单晶硅衬底21的正面加工得到，基于所述单晶硅衬底21制作得到的单晶硅热偶对23具有结构及性能一致性，其中，所述参考热电堆1及所述检测热电堆2可基于同一衬底进行制作，也可以在分别制作后连接成为一个整体。

具体的，所述隔热空腔22位于所述单晶硅衬底21内，所述隔热空腔22的顶面低于所述单晶硅衬底21的正面，所述隔热空腔22的底面高于所述单晶硅衬底21的背面，即制作该热电堆器件的过程中，所述隔热空腔22是基于所述单晶硅衬底21的正面进行单面加工工艺制作得到，不需要从所述单晶硅衬底21的背面进行双面套刻工艺形成，有效降低该热电堆器件的制作工艺难度及成本，其中，所述隔热空腔22能够减少热量沿基底散失，从而提升器件的性能。此外，在该传感器的制作过程中，通过湿法腐蚀得到所述隔热空腔22，基于腐蚀剂的选择，实现各向异性刻蚀，最终形成上窄下宽的类似正六边形的所述隔热空腔22，在所述隔热空腔22的刻蚀过程中，通过控制刻蚀参数，可以实现所述参考热电堆1的隔热空腔与所述检测热电堆2的隔热空腔间隔设置或者相互连通。

具体的，所述单晶硅热偶对23包括N型单晶硅热偶及P型单晶硅热偶，所述N型单晶硅热偶及所述P型单晶硅热偶之间通过金属互联结构(图1中未标识)串联，多个所述单晶硅热偶对23之间也是通过金属互联结构串联，最终形成的多个所述单晶硅热偶对23的一端作为热端，所述热端的位置相对应的金属互联结构为热端金属互联结构，相对的，多个所述单晶硅热偶对23的另一端作为冷端，所述冷端的位置相对应的金属互联结构为冷端金属互联结构，其中所述冷端金属互联结构及所述热端金属互联结构均包括多个间隔排列的金属块，每一金属块串联一个N型单晶硅热偶及一个P型单晶硅热偶。

作为示例，所述单晶硅热偶对23包括直线型、折线型及曲线型中的至少一种，较佳地，所述单晶硅热偶对23的长度相等。本实施例中，所述单晶硅热偶对23均为折线型，相比较于其他排列方式而言，这种排列方式在单位面积上能够显著增加所述单晶硅热偶对23的数量，提高面积利用率及集成度，提升了热阻，同时平衡了热阻热噪声，最终可保持微小温差(mK级)的分辨能力，显著提高该热电堆器件的工作性能。在其他实施例中，所述单晶硅热偶对23为直线型，相对于折线型而言，直线型的热偶设置在满足测试需求的前提下能够进一步降低制作难度，增加制作良率，从而降低成本。

具体的，所述支撑膜24位于所述单晶硅热偶对23的上方以支撑所述单晶硅热偶对23，所述热端位于所述支撑膜24的中心区域，所述冷端位于所述支撑膜24的边缘区域。所述支撑膜24的作用是对多个所述单晶硅热偶对23起支撑作用，使之能够悬空设置在所述隔热空腔22的上方，降低热量散失对测试结果的干扰。

作为示例，所述支撑膜24的直径范围是0.1mm～2mm，所述单晶硅热偶对23的数量范围是2对～400对。需要说明的是，实际上所述支撑膜24的形状由于制作工艺的不同会存在差别，可能为圆形、多边形或不规则形状，此处所谓的直径概念是将支撑膜理想化为近似圆形时的参数，本实施例中所述支撑膜24的形状为近正六边形，此时的直径即为所述支撑膜24的对角线长度。而支撑膜在其他形状时，所谓的直径为支撑膜上任意两点连线经过支撑膜几何中心时该两点距离最大值。所述单晶硅热偶对23的数量通过形状设置、排布密集度等参数基于实际应用场合和制作可行性合理设置，优选为30对～80对，能够在满足较高测试精度的测试性能下同时满足小型化需求。本实施例中的参考热电堆1及检测热电堆2的所述单晶硅热偶对23的数量是54对，所述支撑膜24的直径约640μm。

具体的，所述加热器25的作用是向热电堆施加电压信号，从而控制热电堆的工作温度。本实施例中，所述加热器25的形状为类似齿轮状结构，能够较为均匀的且更为接近的分布在所述热端周围，使得所述热端能够快速均匀受热。

作为示例，所述参考热电堆1及所述检测热电堆2均还包括电极结构，所述电极结构包括热电堆加热电极26及热电堆输出电极27，所述热电堆加热电极26与所述加热器25电连接，所述热电堆输出电极27与所述单晶硅热偶对23电连接。其中，所述热电堆加热电极26作为输入电极向热电堆输入电压信号以使热电堆的冷端和热端之间产生温差，所述热电堆输出电极27作为输出电极，输出热电堆中串联的多个所述单晶硅热偶对23中累积的温差电势差信号。所述加热器25、所述电极结构、所述金属互联结构的材质包括Cr、Pt及Au中的至少一种，上述结构可以为单层或多层结构，本实施例中上述结构均为多层结构，具体为Cr/Pt/Au叠层结构，并且对应层的厚度分别为40nm、100nm、300nm。

作为示例，所述检测热电堆2及所述参考热电堆1均还包括释放孔(图中未标识)，所述释放孔垂向贯穿所述支撑膜24与所述隔热空腔22连通。所述释放孔能够在进行该传感器的制作时加速所述隔热空腔22的形成，从而减少该传感器的制作时间。

作为示例，所述催化剂材料包括贵金属催化剂及非贵金属催化剂中的至少一种，其中贵金属催化剂包括但不限于铂、钯和钌等，非贵金属催化剂包括但不限于铜、铬、镍、钒、锰、铁、钴等金属及其氧化物。本实施例中所述催化剂材料为Pt/Al₂O₃。所述催化剂材料的厚度基于实际应用场合合理设计。

作为示例，该传感器还包括屏蔽环4，所述屏蔽环4位于所述传感器的上表面且环绕所述参考热电堆1及所述检测热电堆2，所述屏蔽环4要用来消除热电堆表面电荷积累，降低噪声，提高性能。

作为示例，该传感器还包括环境电阻5，所述环境电阻5位于所述传感器的上表面且位于所述参考热电堆1及所述检测热电堆2之间。所述环境电阻5主要作为环境参考温度对热电堆温度实时校准。相应地，该传感器还包括环境电阻电极(图1中未标识)，与所述环境电阻5电连接。

作为示例，所述差分量热式MEMS气体传感器可用于各种基于催化放热原理的气体的检测，所述气体包括氢气、甲烷、一氧化碳及乙烷中的至少一种。

具体的，该传感器的工作原理为：该传感器主要由参考热电堆及检测热电堆组成，每个热电堆的支撑膜上集成了多对p型及n型掺杂的单晶硅热偶，基于塞贝克(Seebeck)效应，当有微小热量(或者微小温差(mK级))存在时，所述单晶硅热偶对的冷端及热端之间会产生一个温差电动势，当数十对热偶串联时，其温差电动势为U＝N(αA-αB)ΔT，其中αA和αB为p型、n型掺杂的单晶硅的Seebeck系数，N为热偶数量。实际应用时，通过参考热电堆的加热器及检测热电堆的加热器分别向参考热电堆及检测热电堆施加电压信号，分别控制两个热电堆的工作温度，当检测热电堆的加热器中心处(热端)由于产生红外辐照、环境条件(如流速)、表面材料吸放热等变化，相应地产生热量变化(即温度变化)，而检测热电堆的冷端由于处于器件的边缘处，温度接近于室温，从而在检测热电堆的单晶硅热偶对的两端(冷端、热端)之间产生的微小的温差电动势，并且该微小的温差电动势在串联的单晶硅热偶对上逐渐积累，最终在检测热电堆的输入电极(热电堆加热电极)及输出电极(热电堆输出电极)间产生一个明显的电动势Uout并输出，与参考热电堆的输出信号作对比，从而实现检测功能。

具体的，该传感器的输出信号包括所述参考热电堆的输出信号(即所述参考热电堆输入电极及输出电极之间的电压Vs)、所述检测热电堆的输出信号(即所述检测热电堆输入电极及输出电极之间的电压Vr)以及所述参考热电堆及所述检测热电堆之间的差分信号(Vdiff＝Vs-Vr)，其中，单个热电堆的输出信号用于指示该热电堆的实时温度，差分信号通过检测所述检测热电堆与所述参考热电堆之间的温差，用于分析被测样品由于吸放热造成的微小温度变化，并且，差分输出可以消除由环境干扰带来的共模噪声，突出被测样品吸放热产生的温度变化，避免其他因素对测试结果造成的干扰。

本实施例提供的差分量热式MEMS气体传感器工作原理的等效电路图如图3所示，检测热电堆表面具有催化剂材料(图中点状填充图案所示)，通过检测热电堆的热电堆加热电极施加一个加热电压(V_h)使得催化剂材料工作在最佳催化温度(例如在120℃左右)，当检测环境中存在极低浓度(ppm级)的目标气体时，目标气体受到催化作用发生燃烧放热，燃烧放热所产生热量会在检测热电堆的热端及冷端之间产生温差并反映为检测热电堆的输出信号(V_s)。参考热电堆可以实时监测其他因素(如环境)干扰引起的温度变化并反映为由参考热电堆的输出信号(V_r)。对检测热电堆的输出信号(V_s)与参考热电堆的输出信号(V_r)进行差分并放大，该差分输出信号(V_diff)即反映了检测气体环境中目标气体的催化燃烧放热过程，其输出信号强度与检测环境中的目标气体的浓度成正比。

具体的，将该检测器应用于检测氢气的浓度时，通过加热器向热电堆施加电压使得热电堆工作在催化剂作用的适宜温度(120℃)，向测试腔体依次通入空气、1000ppm氢气和空气的混合气体、空气，请参阅图4，显示为该传感器对于氢气浓度的典型响应曲线，通入纯空气时，由于不存在氢气，未有催化燃烧放热发生，该传感器的差分输出V_diff接近0。当切换1000ppm氢气和空气混合气时，由于催化燃烧放热，该传感器差分输出一个明显电信号(～35mV)。再次切换至纯空气时，该传感器的差分输出V_diff接近0。由该传感器的响应曲线上升下降过程，以信号上升至90％(或减小到10％)定义响应时间(τ_r)和恢复时间(τ_d)，可观察到该传感器响应时间及恢复时间均达到1s～2s。

本实施例的差分量热式MEMS气体传感器通过对参考热电堆及检测热电堆之间热电堆的温差电动势信号做差分，得到与气体浓度成正比的差分信号(V_diff)强度，能够实现痕量目标气体的浓度定量检测并且检测下限低、线性范围大，响应时间和恢复时间快，并且该传感器的制作工艺简单，易实现低成本批量生产。此外，该传感器功耗低(仅数十mW)，对气体具有良好的选择性，能够满足目标气体的快速、超灵敏检测，实现目标气体泄漏的跟踪和早期预警。

实施例二

本实施例提供一种气体检测方法，基于实施例一中的差分量热式MEMS气体传感器进行测试，包括以下步骤：

S1：提供如实施例一中所述的差分量热式MEMS气体传感器；

S2：通过加热器使所述参考热电堆及所述检测热电堆升温到预设温度后将所述参考热电堆及所述检测热电堆保持该温度；

S3：将所述传感器暴露于含有一定浓度目标气体的检测环境中使所述目标气体发生催化反应放热；

S4：基于所述传感器的输出信号获取目标气体的浓度。

请参阅图1及图2，执行步骤S1，提供如上实施例一所述的差分量热式MEMS气体传感器，该传感器具有参考热电堆1及检测热电堆2，所述参考热电堆1及所述检测热电堆2均包括单晶硅热偶对23及加热器25，其中所述检测热电堆2的上表面还具有催化剂材料3。

执行步骤S2，通过加热器使所述参考热电堆1及所述检测热电堆2升温到预设温度后将所述参考热电堆1及所述检测热电堆2保持该温度，所述预设温度基于所述检测热电堆1上表面的催化剂材料6的最佳工作温度而定，实际中根据催化材料的种类不同需要作出适应性调整。

执行步骤S3，将所述传感器暴露于含有一定浓度的目标气体的检测环境中使所述目标气体发生催化反应放热。所述目标气体发生催化反应后放出的热量将会反馈到所述传感器的输出信号上。

执行步骤S4，基于所述传感器的输出信号获取目标气体的浓度。由于气体催化反应会放热，使得所述检测热电堆2的温度高于所述参考热电堆1的温度，而所述参考热电堆1与所述检测热电堆输2出的差分信号与气体浓度成正比，因此通过传感器的输出信号即可定量待测气体的浓度。

本实施例的气体检测方法，能够实现痕量目标气体的浓度定量检测并且检测下限低，线性范围大，测试精度高。

实施例三

本实施例具体提供一种氢气检测方法，基于实施例二中的差分量热式MEMS气体传感器的测试方法进行，为了模拟检测环境并获得具有说服力的测试结果，本实施例中的氢气检测在一测试腔体中进行。

请参阅图1及图2，提供如上实施例一所述的差分量热式MEMS气体传感器，将所述传感器置于一测试腔体中，该传感器具有参考热电堆1及检测热电堆2，所述参考热电堆1及所述检测热电堆2均包括单晶硅热偶对23及加热器25，其中所述检测热电堆2的上表面还具有催化剂材料3，本实施例中所述催化剂材料为Pt/Al₂O₃。

通过加热器使所述参考热电堆1及所述检测热电堆2升温到预设温度后将所述参考热电堆1及所述检测热电堆2保持该温度，所述预设温度基于所述检测热电堆1上表面的催化剂材料3的最佳工作温度而定，实际中根据催化材料的种类不同需要作出适应性调整，本实施例中预设温度设定为120℃，该温度是Pt/Al₂O₃应用于氢气的催化放热反应时的最佳催化温度。

往测试腔体中通入待测气体，待测气体中含有一定浓度的氢气，使待测气体中的氢气发生催化放热反应。本实施例中待测气体为氢气及空气的混合气体，其中，混合气体中氢气为预设浓度，本实施例中混合气体中氢气的预设浓度分布在1ppm至2％(以体积比计算)。

基于所述传感器的输出信号获得混合气体中的氢气的浓度，由于氢气催化反应会放热，使得所述检测热电堆2的温度高于所述参考热电堆1的温度，而所述参考热电堆1与所述检测热电堆2输出的差分信号与气体浓度成正比，因此通过传感器的输出信号即可定量待测气体中氢气的浓度。请参阅图5，显示为热电堆加热温度在120℃，将测试腔体通入不同浓度2ppm至2％ H₂和空气混合气时，该传感器差分输出信号的幅值与浓度之间的变化关系，由该测试曲线可以看出，该传感器的浓度线性检测范围宽，能够达到4个数量级。

请参阅图6，显示为热电堆加热温度在120℃，将测试腔体通入80ppm至1ppm H₂和空气混合气时，该传感器差分输出信号的响应曲线。随着混合气体中氢气浓度的逐渐降低，该传感器的差分信号强度逐渐减小，但是依然可以清晰分辨1ppm H₂浓度，及该传感器能够检测到的氢气浓度理论检测下限可小于1ppm，实现高精度测试。

本实施例的氢气检测方法能够实现痕量氢气的浓度定量检测并且检测下限低、线性范围大，能够满足氢气的快速、超灵敏检测，实现氢气泄漏的跟踪和早期预警。

综上所述，本发明提供的差分量热式MEMS气体传感器，主要由参考热电堆及检测热电堆组成，每个热电堆的上表面均集成了多对p型及n型掺杂的单晶硅热偶，通过对参考热电堆及检测热电堆之间热电堆的温差电动势信号做差分，得到与气体浓度成正比的差分信号(Vdiff)强度，能够实现痕量气体的浓度定量检测并且检测下限低(<1ppm)、线性范围大(1ppm～2％，4个数量级)，响应时间和恢复时间快(1s～2s)，并且该传感器的制作工艺简单，易实现低成本批量生产。此外，该传感器功耗低(仅数十mW)，对气体具有良好的选择性，能够满足目标气体的快速、超灵敏检测、实现目标气体泄漏的跟踪和早期预警。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种差分量热式MEMS气体传感器，其特征在于，包括邻接的参考热电堆及检测热电堆，所述参考热电堆及所述检测热电堆均包括以下结构：

单晶硅衬底；

隔热空腔，位于所述单晶硅衬底内多个单晶硅热偶对，串联且悬设于所述隔热空腔之上，所述单晶硅热偶对包括N型单晶硅热偶及P型单晶硅热偶，串联后的多个所述单晶硅热偶对的一端作为热端，串联后的多个所述单晶硅热偶对的另一端作为冷端；

支撑膜，位于所述单晶硅热偶对的上方以支撑所述单晶硅热偶对，所述热端位于所述支撑膜的中心区域，所述冷端位于所述支撑膜的边缘区域；

加热器，位于所述单晶硅热偶对的上方并均匀分布于所述热端的四周；

其中，所述检测热电堆还包括催化剂材料，所述催化剂材料位于所述检测热电堆的热端表面并覆盖所述加热器。

2.根据权利要求1所述的差分量热式MEMS气体传感器，其特征在于：所述催化剂材料包括贵金属催化剂及非贵金属催化剂中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的差分量热式MEMS气体传感器，其特征在于：所述单晶硅热偶对包括直线型、折线型及曲线型中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的差分量热式MEMS气体传感器，其特征在于：所述支撑膜的直径范围是0.1mm～2mm，所述单晶硅热偶对的数量范围是2对～400对。

5.根据权利要求1所述的差分量热式MEMS气体传感器，其特征在于：还包括屏蔽环，所述屏蔽环位于所述传感器的上表面且环绕所述参考热电堆及所述检测热电堆。

6.根据权利要求1所述的差分量热式MEMS气体传感器，其特征在于：还包括环境电阻，所述环境电阻位于所述传感器的上表面且位于所述参考热电堆及所述检测热电堆之间。

7.根据权利要求1所述的差分量热式MEMS气体传感器，其特征在于：所述参考热电堆及所述检测热电堆均还包括电极结构，所述电极结构包括热电堆加热电极及热电堆输出电极，所述热电堆加热电极与所述加热器电连接，所述热电堆输出电极与所述单晶硅热偶对电连接。

8.根据权利要求1所述的差分量热式MEMS气体传感器，其特征在于：所述传感器用于基于催化放热原理的气体的检测，所述基于催化放热原理的气体包括氢气、甲烷、一氧化碳及乙烷中的至少一种。

9.一种气体检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供如权利要求1～8中任一项所述的差分量热式MEMS气体传感器；

通过加热器使所述参考热电堆及所述检测热电堆升温到预设温度后将所述参考热电堆及所述检测热电堆保持该温度；

将所述传感器暴露于含有一定浓度目标气体的检测环境中使所述目标气体发生催化反应放热；

基于所述传感器的输出信号获取目标气体的浓度。

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