CN204154677U

CN204154677U - 基于硅加热器的mems甲烷传感器

Info

Publication number: CN204154677U
Application number: CN201420646931.4U
Authority: CN
Inventors: 马洪宇
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2015-02-11
Anticipated expiration: 2024-10-31

Abstract

一种基于硅加热器的MEMS甲烷传感器，适用于工矿企业中对瓦斯防治时使用。以P型硅为衬底，在所述P型硅衬底上形成N型硅；以所述P型硅衬底上的N型硅加工制备硅加热元件；所述硅加热元件包括两个固定端、硅加热器、两个硅悬臂；该甲烷传感器采用普通的单晶硅硅圆片加工硅加热器，硅加热器同时作为甲烷敏感元件、不需催化剂载体及催化剂材料。该甲烷传感器具有功耗低、灵敏度高、响应速度快、缺乏氧气时不会对甲烷检测产生影响、不受积碳、中毒等因催化剂所带来影响的特点。

Description

基于硅加热器的MEMS甲烷传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器，特别是一种工矿企业中对瓦斯防治时使用的基于硅加热器的MEMS甲烷传感器。

背景技术

随着物联网的发展，当前的甲烷传感器无法满足数量庞大的个人移动监测装备等对低功耗、长寿命、低成本的检测低浓度甲烷的高性能甲烷传感器的需求。目前基于传统铂丝加热的催化燃烧式甲烷传感器仍在煤矿井下广泛应用，其原理是基于甲烷气体的催化燃烧反应释热效应，其功耗较大，且由于使用催化剂存在诸多无法克服的缺点。如调校周期短、积碳、中毒、激活、性能不稳定、测量结果受氧气浓度的影响等从根本上是源于使用催化剂及催化剂载体。现有催化燃烧式甲烷传感器采用铂丝等贵金属绕制的线圈作为加热元件，难以批量化生产、且一致性较差，且功耗较大。因此，不能很好的满足物联网对甲烷传感器的应用需求。而红外甲烷传感器价格高、传感元件受粉尘与水汽严重影响，也不能很好的满足物联网对低功耗高性能甲烷传感器的应用需求。现有热导式甲烷传感器在煤矿井下用于检测高浓度的以甲烷为主的甲烷气体，对于低浓度(0～4％)的以甲烷为主的甲烷气体由于灵敏度太低则无法用于检测报警。本实用新型提供一种不使用催化剂的可检测低浓度(0～5％)甲烷的新型微型甲烷传感器。

发明内容

技术问题：针对上述技术的不足之处，提供一种结构简单，低浓度甲烷(0～4％)具有灵敏度高，该甲烷传感器以普通低成本硅圆片为衬底进行加工，可采用CMOS兼容的MEMS工艺批量化生产，成本低，且不使用传感器的基于硅加热器的MEMS甲烷传感器。

技术方案：为实现上述技术目的，本实用新型的基于硅加热器的MEMS甲烷传感器以P型硅为衬底，在所述P型硅衬底上形成N型硅；以所述P型硅衬底上的N型硅加工制备硅加热元件；所述硅加热元件包括两个固定端、硅加热器、两个硅悬臂；所述单个硅悬臂长度至少300um；所述单个的硅悬臂的一端与硅加热器相连，另一端与一个固定端相连，为硅加热器提供电连接；所述两个硅悬臂平行并排设置、与硅加热器整体构成U形悬臂结构将硅加热器悬于空气中；所述硅加热元件的硅加热器及硅悬臂的外表面设有钝化保护层；所述固定端设在P型硅衬底上，所述固定端包括N型硅、N型硅上的氧化硅层及用作电引出焊盘Pad的金属，所述电引出焊盘金属Pad设在N型硅之上的氧化硅层上，且电引出焊盘金属Pad通过氧化硅层的窗口与其下面的N型硅直接接触构成欧姆接触，电引出焊盘金属Pad与其下的N型硅层接触部分没有氧化硅层；

在所述硅加热元件的固定端周围设置有去除掉N型硅的隔离沟槽，所述隔离沟槽使所述硅加热元件及其固定端的N型硅与P型硅衬底上的其余N型硅之间为高阻状态，尤其是使设在P型硅衬底上的硅加热元件的两个固定端之间除了由硅悬臂和硅加热器构成的电通路之外无其它电路通路。

有益效果：

1.本实用新型的基于硅加热器的MEMS甲烷传感器采用价格低廉的普通P型硅片为衬底，而不是高价格的SOI硅片，这使得原料成本大幅降低；且加工工艺简单，可与CMOS工艺兼容、易于批量化生产；硅刻蚀工艺采用湿法硅刻蚀工艺，使用低廉的化学溶液即可完成本实用新型器件的释放，与干法刻蚀相比，不需使用昂贵的干法刻蚀设备及加工费用，因此加工成本更低；因此本实用新型的甲烷传感器具有加工成本低廉的优势；

2.本实用新型的甲烷传感器的硅加热器悬在空气中远离硅衬底、距离大于300um以上，很好的降低了通过硅片损失的热量，因此可较低的功率即可将硅加热器加热到500℃以上的高温，具有功耗低的优势，单个硅加热元件工作时的功耗约80～90mW；

3.本实用新型的甲烷传感器不使用催化剂与催化载体，因此，传感器的性能不受催化剂的影响，不存在催化剂活性降低导致的灵敏度降低、中毒、激活及其导致的不可预测的零点漂移等问题；同时，本实用新型的甲烷传感器对甲烷的检测无需氧气参与，因此不受空气中氧气的影响；

4.本实用新型的MEMS甲烷传感器以硅加热元件为加热元件和甲烷检测元件，不使用催化剂便可实现对低浓度甲烷气体(0～4％)的高灵敏度的检测；采用硅加热元件对甲烷检测，硅加热器的结构为多个硅加热条的并联形式，具有较大的与空气接触的高温表面积，有助于灵敏度的提高；本实用新型的MEMS甲烷传感器的灵敏度可达10mV/CH₄％，可以直接推动仪表，达到了国家标准的要求。

5.本实用新型的甲烷传感器尺寸小，传感器功耗低，灵敏度高，而且响应速度快、响应速度可达40ms左右，输出信号线性度好，寿命长。

6.本实用新型的硅加热元件的材料为单晶硅，在高温下性能稳定，这使本实用新型的甲烷传感器在高温工作状态下具有良好的稳定性与长的寿命。这是因为单晶硅不存在铂、钨等金属加热材料在500摄氏度以上的高温容易挥发、迁移等缺点、也不存在多晶硅电阻在高温下晶界电阻易于变化、无法掌控的缺点。同时，在本实用新型的硅加热元件的外表面设置的钝化层也降低了外界环境对上述元器件的影响，从而进一步提高了本实用新型的甲烷传感器性能的稳定性。

附图说明

图1为本实用新型的基于硅加热器的MEMS甲烷传感器的俯视示意图。

图2为本实用新型图1中A-A截面剖视图。

图3为本实用新型的硅加热器的一种结构示意图。

图4为本实用新型的基于硅加热器的MEMS甲烷传感器在硅圆片上的金属连接线与部分划片槽的示意图。

图5为本实用新型的基于硅加热器的MEMS甲烷传感器的硅加热元件的电流-电阻特性曲线。

图中：01-P型硅衬底，02-N型硅，20-氧化硅层，21-电引出焊盘金属Pad，22-钝化保护层，23-氧化硅，31-金属连接线，32-总金属连接端，40-划片槽，101-硅加热元件，102-固定端，103-隔离沟槽，104-正面刻蚀窗口，105-背面面刻蚀窗口，1011-硅加热器，1012-硅悬臂，1013-硅加热条。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例作进一步的描述：

实施例：在图1、图2、图3、图4中，以P型硅衬底01，所述P型硅衬底01经掺杂或扩散后形成N型硅02；以所述P型硅衬底01上的N型硅02加工制备硅加热元件101；所述硅加热元件101包括两个固定端102、硅加热器1011、两个硅悬臂1012；所述单个的硅悬臂1012长度至少300um；所述单个的硅悬臂1012的一端与硅加热器1011相连，另一端与一个固定端102相连，为硅加热器1011提供电连接；所述两个硅悬臂1012平行并排设置、与硅加热器1011整体构成U形悬臂结构，将硅加热器1011悬于空气中；所述硅加热元件101的硅加热器1011及硅悬臂1012外表面设有钝化保护层22；所述固定端102设在P型硅衬底01上，包括N型硅02、N型硅02上的氧化硅层20及用作电引出焊盘Pad的金属21，所述电引出焊盘金属Pad 21设在N型硅02之上的氧化硅层20上，且电引出焊盘金属Pad 21通过氧化硅层20的窗口与其下面的N型硅02直接接触构成欧姆接触，电引出焊盘金属Pad 21与其下的N型硅层02接触部分没有氧化硅层20。

在所述硅加热元件101及其固定端102周围设置有去除掉N型硅的隔离沟槽103，所述隔离沟槽103使所述硅加热元件101及其固定端102的N型硅与P型硅衬底01上的其余N型硅之间为高阻状态，尤其是设在P型硅衬底01上的硅加热元件101的两个固定端102之间除了由硅悬臂1012和硅加热器1011构成的电通路之外无其它电路通路。

图3是硅加热器的一种结构示意图，图中所示的多个硅加热条1013的并联硅加热器可增加与空气中甲烷相接触的高温表面积，硅加热器还可以是圆环形。

图4是本实用新型的基于硅加热器的MEMS甲烷传感器的硅圆片上的金属连接线与部分划片槽的示意图。沿示意的部分划片槽40划片后不仅可使基于硅加热器的MEMS甲烷传感器从硅圆片上分离出来，还使每一个硅加热元件101的两个电引出焊盘金属Pad 21之间不再有金属连接。在图1、图2、图3中未示出金属连接线31。

一种基于硅加热器的MEMS甲烷传感器的甲烷检测应用方法：其使用两个基于硅加热器的MEMS甲烷传感器，其中一个基于硅加热器的MEMS甲烷传感器的硅加热元件101与环境空气接触，另一个基于硅加热器的MEMS甲烷传感器的硅加热元件101则为气密性封装、封装内的密封空气与环境空气隔绝，这两个基于硅加热器的MEMS甲烷传感器的硅加热元件101构成惠斯通电桥检测桥臂；在基于硅加热器的MEMS甲烷传感器的硅加热元件101的两个固定端102上施加电压或电流，使硅加热元件101的工作点位于如图5所示的电流-电阻特性曲线中的转折点左侧的工作点区域，使硅加热元件101的硅加热器1011发热，其特征在于加热温度在500摄氏度以上；所述转折点为电阻随电流或电压增大而出现的电阻最大点，当电流或电压继续增大时，电阻不再继续增大反而减小；单个硅加热元件工作时的功耗约80～90mW；当有甲烷气体出现时，与环境空气接触的硅加热器1011的温度降低、使硅加热元件101电阻发生变化，通过由所述基于硅加热器的MEMS甲烷传感器构成的惠斯通电桥实现低浓度甲烷的检测；对低浓度甲烷气体(0～4％)的检测灵敏度可达10mV/CH₄％，响应时间可达40ms左右。

Claims

1.一种基于硅加热器的MEMS甲烷传感器，其特征在于：它包括P型硅衬底（01），P型硅衬底（01）上设有N型硅（02）；以所述P型硅衬底（01）上的N型硅（02）加工制备硅加热元件（101）；所述硅加热元件（101）包括两个固定端（102）、硅加热器（1011）、两个硅悬臂（1012）；所述单个的硅悬臂（1012）长度至少300um；单个所述的硅悬臂（1012）的一端与硅加热器（1011）相连，另一端与一个固定端（102）相连，为硅加热器（1011）提供电连接；所述两个硅悬臂（1012）平行并排设置、与硅加热器（1011）整体构成U形悬臂结构，将硅加热器（1011）悬于空气中；所述硅加热元件（101）的硅加热器（1011）及硅悬臂（1012）的外表面设有钝化保护层（22）；所述固定端（102）设在P型硅衬底（01）上，包括N型硅（02）、N型硅（02）上的氧化硅层（20）及用作电引出焊盘金属Pad（21），所述电引出焊盘金属Pad（21）设在N型硅（02）之上的氧化硅层（20）上，且电引出焊盘金属Pad（21）通过氧化硅层（20）的窗口与其下面的N型硅（02）直接接触构成欧姆接触，电引出焊盘金属Pad（21）与其下的N型硅层（02）接触部分没有氧化硅层（20）；

在所述硅加热元件（101）的固定端（102）周围设置有去除掉N型硅的隔离沟槽（103），所述隔离沟槽（103）使所述硅加热元件（101）及其固定端（102）的N型硅与P型硅衬底（01）上的其余N型硅之间为高阻状态，尤其是使设在P型硅衬底（01）上的硅加热元件（101）的两个固定端（102）之间除了由硅悬臂（1012）和硅加热器（1011）构成的电通路之外无其它电路通路。