一種單片微瓦斯傳感器的制造方法
【專利摘要】一種單片微瓦斯傳感器，傳感器的加熱元件和測溫元件通過固定端固定在硅框架支座上，在加熱元件上設有催化劑載體，加熱元件和測溫元件是相互獨立的，加熱元件、測溫元件不存在電氣連接；采用加熱元件單獨加熱催化劑載體，測溫元件單獨檢測因瓦斯催化燃燒形成的溫升；采用MEMS技術加工的用于煤礦井下檢測瓦斯?jié)舛鹊囊环N瓦斯傳感器，其制備工藝與CMOS工藝兼容。優(yōu)點：該傳感器配置簡單，操作容易，功耗低、靈敏度高。加熱元件整體嵌入催化劑載體中，提高電致發(fā)熱效率，高效利用加熱器的熱量，還可獨立調(diào)控加熱元件、檢測測溫元件。
【專利說明】一種單片微瓦斯傳感器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種瓦斯傳感器，特別是一種單片微瓦斯傳感器。
【背景技術】
[0002]目前基于傳統(tǒng)鉬絲加熱的催化燃燒式瓦斯傳感器仍在煤礦井下廣泛應用，但其功耗較大，不能很好的滿足物聯(lián)網(wǎng)對低功耗瓦斯傳感器的應用需求。而其它的瓦斯傳感器則較難適應煤礦井下高濕度的環(huán)境。以往報道的微瓦斯傳感器，多采用金屬鉬電阻作為加熱元件，該鉬電阻同時也作為測溫元件。由于加熱元件、測溫元件是同一個鉬電阻，這使得對溫度測量的諸多先進技術受同時施加在鉬電阻上的加熱電壓或電流的制約而無法應用，限制了瓦斯檢測技術的發(fā)展。
實用新型內(nèi)容
[0003]技術問題:本實用新型的目的是提供一種單片微瓦斯傳感器，解決現(xiàn)有催化燃燒式瓦斯傳感器的鉬絲電阻元件復用所帶來的問題，即同一個鉬絲電阻同時作為加熱元件及測溫元件在控制溫度與測量溫度時無法分別調(diào)控的問題。
[0004]技術方案:本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的:該單片微瓦斯傳感器包括催化劑載體、加熱元件、測溫元件、固定端與硅框架支座；所述硅框架支座包括硅襯底與設在硅襯底上的埋層氧化硅；所述固定端包括支撐硅層、設在支撐硅層外的氧化硅層，設在氧化硅層上的用作電引出焊盤Pad的金屬層；所述固定端的支撐硅層內(nèi)設有摻雜硅層；所述電引出焊盤Pad的金屬層通過氧化硅層的窗口與固定端的摻雜硅層相接觸構成歐姆接觸；所述固定端設在硅框架支座上的埋層氧化硅上；所述加熱元件、測溫元件均包括支撐硅層、設在支撐娃層外的氧化娃層；加熱兀件設有娃加熱器、兩個對稱設置的娃懸臂；所述娃加熱器較佳為圓環(huán)形，圓環(huán)形娃加熱器中間較佳設有兩個對稱內(nèi)伸的散熱-支撐娃塊；所述娃懸臂的一端與娃加熱器相連，另一端與娃框架支座上的固定端相連；所述加熱兀件的娃加熱器上設有催化劑載體，加熱元件的硅加熱器完全嵌入在催化劑載體中，并且催化劑載體貫穿于硅加熱器中，尤其是催化劑載體是一個整體結構；所述測溫元件設有硅測溫環(huán)、兩個對稱設置的硅連接臂，兩個對稱設置的硅支撐臂；所述硅測溫環(huán)、硅連接臂、硅支撐臂、固定端依次相連；加熱元件、測溫元件分別與其各自的固定端構成獨立的二端器件通路，并通過固定端固定在硅框架支座上的埋層氧化硅上；
[0005]所述測溫元件的硅測溫環(huán)與加熱元件的硅加熱器的邊緣距離為3um至IOOum ;與測溫元件相連的固定端以及與加熱元件相連的固定端較佳設置在硅框架支座的相同一側的位置；
[0006]加熱元件獨立加熱催化劑載體，測溫元件獨立檢測因瓦斯催化燃燒造成的溫升，測溫元件測量時不受加熱元件所施加的電壓或電流的影響。
[0007]有益效果，由于采用了上述方案，本實用新型的單片硅微瓦斯傳感器采用MEMS工藝加工，加熱元件與測溫元件從SOI硅片中釋放出來、懸在空氣中，很大程度上降低了通過SOI硅片的熱量損失，因此可有效的降低加熱元件的功耗；加熱元件與測溫元件沒有直接接觸，加熱元件及其在在瓦斯催化燃燒時所釋放的熱量主要通過空氣的熱傳導及熱輻射的方式被其一側的測溫元件檢測。其制備方法可與CMOS工藝兼容，批量制作可降低成本、并提高一致性。傳感器功耗低、靈敏度高，能夠滿足煤礦井下環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)對瓦斯傳感器的需求。
[0008]優(yōu)點:本實用新型提供的單片微瓦斯傳感器，其加熱元件與測溫元件都通過固定端固定在同一個器件上，實現(xiàn)瓦斯的單片檢測；加熱元件與測溫元件相互獨立，不再受傳統(tǒng)的單一元件加熱與測溫功能復用的限制，可單獨調(diào)控加熱元件、單獨對測溫元件進行檢測。分別對加熱元件與測溫元件進行調(diào)控，可為傳感器提供多樣性的工作模式，且配置簡單、工作靈活、因此提高了傳感器的綜合性能。
[0009]所述加熱元件、測溫元件等構件的圖形根據(jù)MEMS加工實際情況可能不同于本實用新型的描述，仍屬本實用新型所主張的權利要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1為本實用新型的分立的硅器件的俯視示意圖。
[0011]圖2為本實用新型的分立的硅器件負載催化劑載體后的俯視示意圖。
[0012]圖3為本實用新型的分立的硅器件或負載有催化劑載體及催化劑的分立的硅器件的固定端的剖視圖，即圖2中的A-A截面剖視圖。
[0013]圖4為本實用新型的分立的硅器件負載催化劑載體后的剖視圖，即圖2中的B-B截面剖視圖。
【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖對本實用新型的一個實施例作進一步的描述:
[0015]如圖1、圖2所示，本實用新型的單片微瓦斯傳感器包括催化劑載體105、加熱元件103、測溫元件104、固定端102與硅框架支座101 ;所述硅框架支座101包括硅襯底11與設在硅襯底11上的埋層氧化硅12 ;所述固定端102如圖3所示，包括支撐硅層21、設在支撐硅層21外的氧化硅層23，設在氧化硅層23上的用作電引出焊盤Pad的金屬層22 ;所述固定端102的支撐硅層21內(nèi)設有摻雜硅層24 ;所述電引出焊盤Pad的金屬層22通過氧化硅層23的窗口與固定端102的摻雜硅層24相接觸構成歐姆接觸；所述固定端102設在硅框架支座101上的埋層氧化硅12上；所述加熱元件103、測溫元件104均包括支撐硅層21、設在支撐娃層21外的氧化娃層23 ;加熱兀件103設有娃加熱器1031、兩個對稱設置的娃懸臂1032 ;所述硅加熱器1031較佳為圓環(huán)形，圓環(huán)形硅加熱器1031中間較佳設有兩個對稱內(nèi)伸的散熱-支撐娃塊1033 ;所述娃懸臂1032的一端與娃加熱器1031相連,另一端與娃框架支座101上的固定端102相連；所述加熱元件103的硅加熱器1031上設有催化劑載體105，加熱元件103的硅加熱器1031完全嵌入在催化劑載體105中，并且催化劑載體105貫穿于硅加熱器1031中，尤其是催化劑載體105是一個整體結構，如圖4所示；所述測溫元件104設有硅測溫環(huán)1041、兩個對稱設置的硅連接臂1042，兩個對稱設置的硅支撐臂1043 ;所述硅測溫環(huán)1041、硅連接臂1042、硅支撐臂1043、固定端102依次相連；加熱元件103、測溫元件104分別與其各自的固定端102構成獨立的二端器件通路，并通過固定端102固定在硅框架支座101上的埋層氧化硅12上；
[0016]所述測溫元件104的硅測溫環(huán)1041與加熱元件103的硅加熱器1031的邊緣距離為3um至IOOum ;與測溫元件104相連的固定端102以及與加熱元件103相連的固定端102較佳設置在硅框架支座101的相同一側的位置；
[0017]加熱元件103獨立加熱催化劑載體105，測溫元件104獨立檢測因瓦斯催化燃燒造成的溫升，測溫元件104測量時不受加熱元件103所施加的電壓或電流的影響。
【權利要求】
1.一種單片微瓦斯傳感器，其特征在于:該單片微瓦斯傳感器包括催化劑載體(105)、加熱元件(103)、測溫元件(104)、固定端(102)與硅框架支座(101);所述硅框架支座(101)包括硅襯底(11)與設在硅襯底(11)上的埋層氧化硅(12);所述固定端(102)包括支撐硅層(21)、設在支撐硅層(21)外的氧化硅層(23)，設在氧化硅層(23)上的用作電引出焊盤Pad的金屬層(22);所述固定端(102)的支撐硅層(21)內(nèi)設有摻雜硅層(24);所述電引出焊盤Pad的金屬層(22)通過氧化硅層(23)的窗口與固定端(102)的摻雜硅層(24)相接觸構成歐姆接觸；所述固定端(102)設在硅框架支座(101)上的埋層氧化硅(12)上；所述加熱元件(103)、測溫元件(104)均包括支撐硅層(21)、設在支撐硅層(21)外的氧化硅層(23);加熱兀件(103)設有娃加熱器(1031)、兩個對稱設置的娃懸臂(1032);所述娃加熱器(1031)較佳為圓環(huán)形，圓環(huán)形硅加熱器(1031)中間較佳設有兩個對稱內(nèi)伸的散熱-支撐硅塊(1033);所述娃懸臂(1032)的一端與娃加熱器(1031)相連,另一端與娃框架支座(101)上的固定端(102)相連；所述加熱元件(103)的硅加熱器(1031)上設有催化劑載體(105)，加熱元件(103 )的硅加熱器(1031)完全嵌入在催化劑載體(105 )中，并且催化劑載體(105 )貫穿于硅加熱器(1031)中，尤其是催化劑載體(105)是一個整體結構；所述測溫元件(104)設有硅測溫環(huán)(1041 )、兩個對稱設置的硅連接臂(1042)，兩個對稱設置的硅支撐臂(1043)；所述硅測溫環(huán)(1041)、硅連接臂(1042)、硅支撐臂(1043)、固定端(102)依次相連；加熱元件(103)、測溫元件(104)分別與其各自的固定端(102)構成獨立的二端器件通路，并通過固定端(102)固定在硅框架支座(101)上的埋層氧化硅(12)上； 所述測溫元件(104)的硅測溫環(huán)(1041)與加熱元件(103)的硅加熱器(1031)的邊緣距離為3um至IOOum ;與測溫元件(104)相連的固定端(102)以及與加熱元件(103)相連的固定端(102)較佳設置在硅框架支座(101)的相同一側的位置； 加熱元件(103)獨立加熱催化劑載體(105)，測溫元件(104)獨立檢測因瓦斯催化燃燒造成的溫升，測溫元件(104)測量時不受加熱元件(103)所施加的電壓或電流的影響。
【文檔編號】G01N27/16GK203519540SQ201320599081
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年9月26日 優(yōu)先權日:2013年9月26日
【發(fā)明者】馬洪宇, 王文娟, 丁恩杰, 趙小虎, 程婷婷 申請人:中國礦業(yè)大學