CN205449859U - 一种具有两支撑悬梁四层结构的电阻式气体传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有两支撑悬梁四层结构的电阻式气体传感器，其具有两支撑悬梁，其四层结构自下而上依次为：硅衬底框架、加热膜层、加热电极层、敏感膜层，敏感膜层包括两层以上敏感膜，且各层敏感膜自下而上，其比表面积逐渐减小、孔隙尺寸逐渐增大。与现有技术相比，其具有两支撑悬梁的结构易于通过调节和控制工作温度来提高传感器的性能；并且其采用两层以上敏感膜作为敏感膜层，可以提高气体传感器的灵敏度和选择性。

Description

一种具有两支撑悬梁四层结构的电阻式气体传感器

技术领域

本实用新型涉及气体传感器领域，尤其涉及一种具有两支撑悬梁四层结构的电阻式气体传感器。

背景技术

气体传感器已经在工业、民用和环境监测三大主要领域内取得了广泛的应用。目前检测气体的方法和手段已经非常多，主要包括催化燃烧式、电化学式、热导式、红外吸收式和半导体式气体传感器等。半导体式气体传感器包括电阻式半导体气体传感器和非电阻式半导体气体传感器，电阻式气体传感器是利用阻值变化来检测气体浓度。由于电阻式半导体传感器具有灵敏度高、操作方便、体积小、成本低廉、响应时间和恢复时间短等优点，因此应用最为广泛，特别在对易燃易爆气体(如CH4，H2等)和有毒有害气体(如CO，NOx等)的探测中起着重要的作用。

半导体气体传感器通常使用金属氧化物作为气敏材料，通过在其表面吸附气体及表面反应而引起自身电阻的变化，从而监测到目标气体。气敏材料的比表面积越大灵敏度越高，越容易吸附目标气体。现有的制备气敏材料的方法很多，比如化学气相沉积法、化学水浴沉积法等，其制得的气敏材料比表面积大，化学活性高，可以监测到浓度较低的目标气体。但是，由于制备气敏材料的过程中引入了气体杂质，气敏材料会存在缺陷，这些缺陷会导致传感器在长期使用过程中灵敏度和选择性降低。

目前，如何提高传感器的灵敏度和选择性，是本领域技术人员渴望解决的技术难题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有两悬梁四层结构的电阻式气体传感器，其具有较高的灵敏度和选择性。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种具有两支撑悬梁四层结构的电阻式气体传感器，所述电阻式气体传感器的四层结构自下而上依次为：

硅衬底框架，其内凹形成隔热腔体，硅衬底框架上分布有供电电极、探测电极；

加热膜层，其包括加热膜区、过渡区和支撑悬梁，加热膜层悬浮于隔热腔体的上方，加热膜区的两端分别与过渡区连接，过渡区的两端分别与支撑悬梁的一端连接，支撑悬梁的另一端与硅衬底框架连接；

加热电极层，其包括加热电阻丝、供电引线、叉指电极和探测引线，加热电阻丝以折线形式排布在加热膜区上，叉指电极排布在加热电阻丝的间隙中，供电引线和探测引线排布在支撑悬梁上；

敏感膜层，其覆盖在加热电极层上，并且与叉指电极电性连接；

敏感膜层包括两层以上敏感膜，各层敏感膜逐层电性连接，所述各层敏感膜自下而上，其比表面积逐渐减小、孔隙尺寸逐渐增大。

作为对上述方案的进一步改进，该孔隙为球形结构，最内层孔隙的内径大于10纳米，最外层孔隙的内径小于10微米。

通常情况下，敏感膜层的比表面积越大，灵敏度越高，因此可以通过改变敏感膜的孔隙大小和密度来调控气体传感器的灵敏度。在比表面积大的敏感膜上覆盖比表面积较小的膜，可以用于提高传感器的选择性，通过改变其材料和结构，可以改变不同气体分子在其表面的吸附能力，吸附能力越高的分子，检测灵敏度越高；吸附能力越低的分子，检测灵敏度越低，从而实现提高选择性的目的。

作为对上述方案的进一步改进，隔热腔体的形状为横截面呈倒梯形结构、V字型结构或圆弧形结构。

作为对上述方案的进一步改进，加热电阻丝通过供电引线与硅衬底框架上的供电电极相连，叉指电极通过探测引线与硅衬底框架上的探测电极相连。

作为对上述方案的进一步改进，加热膜区的形状为矩形结构，过渡区的形状为等腰梯形结构，且等腰梯形的下底边与矩形加热膜区的短边相连，等腰梯形的上底边与支持悬梁相连。

采用两支撑悬梁的结构为传感器提供工作所需的高温，利于提高温度的均匀性，易于通过调节和控制工作温度来提高传感器的性能，并且这种结构在高温下的机械强度较高；叉指电极位于加热膜区相对应处，用于连接敏感膜，当目标气体与气敏材料接触时，气敏材料的电阻会发生变化，通过测量探测电极间的电阻变化就能实现气体探测。采用两层以上敏感膜作为敏感膜层检测气体时，由于各层敏感膜的比表面积自下而上逐渐增大，其敏感度也逐渐增大；最外层的敏感膜可具有不同的材料和结构，其直接与气体接触，可以提高气体传感器对气体的选择性，进而提高相对灵敏度。

本实用新型相比现有技术具有以下优点：本实用新型提供的一种具有两悬梁四层结构的电阻式气体传感器，其具有两支撑悬梁的结构易于通过调节和控制工作温度来提高传感器的性能；并且其采用不同比表面积和不同结构的两层以上的敏感膜，比表面积较大、孔隙尺寸较小的敏感膜在底层，比表面积较小、孔隙尺寸较大的敏感膜层在上层，提高了气体传感器的灵敏度和选择性。

附图说明

图1是本实用新型的具有两悬梁四层结构的电阻式气体传感器的结构示意图；

图2气体传感器的第二至第四层结构示意图；

图3是气体传感器的具有两层气敏膜的第四层结构的分解示意图；

图4是气体传感器的具有三层气敏膜的第四层结构的分解示意图；

图5是本实用新型的具有两悬梁四层结构的电阻式气体传感器的俯视图；

图6是本实用新型的具有两悬梁四层结构的电阻式气体传感器的侧视图；

图7是本实用新型的另一具有两悬梁四层结构的电阻式气体传感器的侧视图。

具体实施方式

下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

根据图1和图2所示，一种具有两悬梁四层结构的电阻式气体传感器，所述四层结构自下而上依次为：①硅衬底框架1，其内凹形成隔热腔体12，硅衬底框架1上分布有供电电极13和探测电极14，采用(100)面的硅片作为硅衬底框架1，制成的隔热腔体12的形状为横截面呈倒梯形结构、V字型结构或圆弧形结构(如图5至图7所示)；②加热膜层2，其包括加热膜区21、过渡区22和支撑悬梁23，加热膜层2悬浮于隔热腔体12上方，矩形加热膜区21的短边分别与等腰梯形过渡区22的下底边连接，过渡区22的两端分别与支撑悬梁23的一端连接，支撑悬梁23的另一端与硅衬底框架1连接，等腰梯形的上底边与支持悬梁23相连，加热膜层由氧化硅和氮化硅的多层复合膜组成；③加热电极层3，其包括加热电阻丝31、供电引线32、叉指电极33和探测引线34，加热电阻丝31以折线形式排布在加热膜区21上，叉指电极33排布在加热电阻丝31的间隙中，供电引线32和探测引线34排布在支撑悬梁23上；并且加热电阻丝31通过供电引线32与硅衬底框架上的供电电极13相连，叉指电极33通过探测引线34与硅衬底框架上的探测电极14相连，加热电阻丝31、供电引线32、供电电极13、叉指电极33、探测引线34和探测电极14的材料为金属材料(如铂和/或金)；④敏感膜层4，其覆盖在加热电极层3上，并且与叉指电极31电性连接；敏感膜层4包括两层以上敏感膜，各层敏感膜逐层电性连接，各层敏感膜自下而上，其比表面积逐渐减小、孔隙尺寸逐渐增大，孔隙为球形结构，最内层孔隙的内径大于10纳米，最外层孔隙的内径小于10微米。

采用两支撑悬梁的结构为传感器提供工作所需的高温，利于提高温度的均匀性，易于通过调节和控制工作温度来提高传感器的性能，并且这种结构在高温下的机械强度较高；叉指电极位于加热膜区相对应处，用于连接敏感膜，当目标气体与气敏材料接触时，气敏材料的电阻会发生变化，通过测量探测电极间的电阻变化就能实现气体探测。采用两层以上敏感膜作为敏感膜层检测气体时，由于各层敏感膜的比表面积自下而上逐渐增大，其敏感度也逐渐增大；最外层的敏感膜可具有不同的材料和结构，其直接与气体接触，可以提高气体传感器对气体的选择性，进而提高相对灵敏度。

实施例1

如图2和图3所示，上述具有两悬梁四层结构的电阻式气体传感器，其中敏感膜层包括两层敏感膜，底层敏感膜411厚度为50纳米，晶体结构为六方密排，孔隙的内径为50纳米，其比表面积较大；上层层敏感膜412厚度为500纳米，晶体结构为六方密排，孔隙的内径为50纳米，其比表面积较小；制得敏感膜层为两层敏感膜的气体传感器。此类结构传感器与同种材料的传统陶瓷管式传感器相比，在灵敏度上能够提高2-3个数量级。

实施例2

如图2和图4所示，上述具有两悬梁四层结构的电阻式气体传感器，其中敏感膜层包括三层敏感膜，底层敏感膜421厚度为50纳米，晶体结构为六方密排，孔隙的内径为50纳米，其比表面积较大；中层敏感膜422厚度为500纳米，晶体结构为六方密排，孔隙的内径为500纳米，其比表面积较小；上层层敏感膜423厚度为1000纳米，晶体结构为六方密排，孔隙的内径为1000纳米，其比表面积最小；制得敏感膜层为三层敏感膜的气体传感器。此类传感器和实施例1中的传感器一样，具有良好的灵敏度，而且上层敏感膜423通过选择特定材料，可以提高对还原性气体的选择性。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种具有两支撑悬梁四层结构的电阻式气体传感器，所述电阻式气体传感器的四层结构自下而上依次为：

硅衬底框架，其内凹形成隔热腔体，所述硅衬底框架上分布有供电电极、探测电极；

加热膜层，其包括加热膜区、过渡区和支撑悬梁，所述加热膜层悬浮于所述隔热腔体的上方，所述加热膜区的两端分别与过渡区连接，所述过渡区的两端分别与支撑悬梁的一端连接，所述支撑悬梁的另一端与硅衬底框架连接；

加热电极层，其包括加热电阻丝、供电引线、叉指电极和探测引线，所述加热电阻丝以折线形式排布在所述加热膜区上，所述叉指电极排布在所述加热电阻丝的间隙中，所述供电引线和探测引线排布在所述支撑悬梁上；

敏感膜层，其覆盖在所述加热电极层上，并且与所述叉指电极电性连接；

其特征在于，所述敏感膜层包括两层以上敏感膜，各层敏感膜逐层电性连接，所述各层敏感膜自下而上，其比表面积逐渐减小、孔隙尺寸逐渐增大；

所述加热膜区的形状为矩形结构，所述过渡区的形状为等腰梯形结构，且所述等腰梯形的下底边与矩形加热膜区的短边相连，所述等腰梯形的上底边与支持悬梁相连。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述孔隙为球形结构，最内层孔隙的内径大于10纳米，最外层孔隙的内径小于10微米。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述隔热腔体的形状为横截面呈倒梯形结构、V字型结构或圆弧形结构。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述加热电阻丝通过所述供电引线与硅衬底框架上的所述供电电极相连，所述叉指电极通过所述探测引线与所述硅衬底框架上的探测电极相连。