一种mems甲烷传感器的制造方法
【专利摘要】一种MEMS甲烷传感器，适用于煤矿检测使用。它包括P型硅衬底，在所述P型硅衬底正面形成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；该传感器以普通单晶硅作为加热元件的材料，加热元件同时作为敏感元件，且不需催化剂载体及催化剂材料；该传感器具有成本低、灵敏度高、功耗低、灵敏度高、测量不受氧气浓度影响、不受积碳、中毒影响的优点。
【专利说明】—种MEMS甲烷传感器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种甲烷传感器，尤其适用于一种煤矿安全检测中使用的MEMS甲烷传感器。
【背景技术】
[0002]随着物联网的发展，当前的甲烷传感器无法满足单兵装备对低功耗、长寿命、低成本的检测低浓度甲烷的甲烷传感器的需求。目前用于煤矿井下检测低浓度甲烷的仍是基于传统钼丝加热的催化燃烧式甲烷传感器，其功耗较大，催化剂的使用导致甲烷检测性能不稳定、校验时间短，存在受积碳、中毒、激活等因使用催化剂所带来的不良影响等缺点；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；这两种甲烷传感器都不能很好的满足物联网对低功耗甲烷传感器的应用需求。而其它的甲烷传感器亦无法适应煤矿井下高湿度的复杂环境。
【发明内容】
[0003]本实用新型的目的是要提供一种结构简单，不使用催化剂又能对低浓度甲烷(O?4% )具有高灵敏度检测能力的MEMS甲烷传感器及其应用和制备方法。
[0004]为实现上述技术问题，本实用新型的MEMS甲烷传感器以P型硅为衬底，P型硅衬底上设有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；所述单个的硅悬臂长度至少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外表面设有钝化保护层；所述固定端设在P型硅衬底上，包括N型硅、N型硅上的氧化硅层及用作电引出焊盘Pad金属，所述电引出焊盘Pad金属设在N型硅之上的氧化硅层上，且电引出焊盘Pad金属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Pad金属与其下的N型硅层接触部分没有氧化硅层；
[0005]在所述硅加热元件及其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。
[0006]有益效果:
[0007]1、本实用新型的MEMS甲烷传感器以硅加热元件为加热元件和检测元件，而不使用催化剂，便可实现对低浓度甲烷气体的高灵敏度的检测；本实用新型的MEMS甲烷传感器的硅加热器采用多个硅加热条的并联结构，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，灵敏度可达10mV/CH4%，这样的灵敏度可以直接推动仪表，达到了国家标准的要求；
[0008]3、本实用新型的MEMS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、激活等问题；
[0009]4、本实用新型的MEMS甲烷传感器的硅加热器悬在空气中且远离硅衬底，距离大于300um以上，可较低的功率即可将硅加热器加热到500°C以上的高温，很好的降低了通过硅片损失的热量，因此具有功耗低的优势，单个硅加热元件工作时的功耗约80?90mW ；
[0010]5、本实用新型的MEMS甲烷传感器的硅加热元件采用性能稳定的单晶硅加工得至IJ，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钼、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；
[0011]6、本实用新型的甲烷传感器采用MEMS工艺加工，尺寸小、不但使传感器功耗低，并且响应速度快，可达40ms左右；
[0012]优点:本实用新型提供的基于湿法双向刻蚀硅的MEMS甲烷传感器其制备方法可与CMOS工艺兼容；容易批量生产与校准；可降低成本、具有良好的一致性；并且，本实用新型的甲烷传感器尺寸小、响应速度快、传感器功耗低、灵敏度高、输出信号线性度好；传感器性能不受催化剂影响，对传感器的性能进行综合优化及补偿时不必考虑催化剂的复杂影响、简单易行，对低浓度甲烷具有高灵敏度的检测能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本实用新型的MEMS甲烷传感器的俯视示意图。
[0014]图2为本实用新型的MEMS甲烧传感器在完成刻蚀窗口图形的制备后在娃圆片上的俯视不意图。
[0015]图3为本实用新型的图1中的A-A截面剖视图。
[0016]图4为本实用新型的MEMS甲烷传感器的硅加热元件的硅加热器的结构示意图。
[0017]图5为制备本实用新型的基于湿法双向刻蚀硅的MEMS甲烷传感器时电引出焊盘Pad金属、金属连接线与部分划片槽在硅圆片上的的示意图。
[0018]图6为本实用新型的基于湿法双向刻蚀硅的MEMS甲烷传感器的硅加热元件的电流-电阻特性曲线。
[0019]图中:01-P型硅衬底，02-N型硅，101-硅加热元件，1011-硅加热器，1012-硅悬臂，1013-硅加热条，102-固定端，103-隔离沟槽，20-氧化硅层，21-电引出焊盘Pad金属，22-钝化保护层，31-金属连接线，32-金属连接端，40-划片槽。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本实用新型的一个实施例作进一步的描述:
[0021]如图1、图2、图3所示，本实用新型的MEMS甲烷传感器包括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 ;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、与娃加热器1011整体构成U形悬臂结构,将娃加热器1011悬于空气中；所述娃加热兀件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金属21，所述电引出焊盘Pad金属21设在N型硅02之上的氧化硅层20上，且电引出焊盘Pad金属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Pad金属21与其下的N型硅层02接触部分没有氧化硅层20。
[0022]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。
[0023]图4是本实用新型的基于湿法双向刻蚀硅的MEMS甲烷传感器的硅加热元件的硅加热器1011的结构示意图；如图4所示的硅加热器1011的结构为多个硅加热条1013的并联，用以增加与空气接触的高温表面积。
[0024]图6是本实用新型的基于湿法双向刻蚀硅的MEMS甲烷传感器的的硅加热元件的电流-电阻特性曲线。
[0025]一种使用权利要求1所述传感器的甲烷检测应用，使用两个甲烷检测传感器，其中一个与环境空气接触，另一个进行气密性封装，保持与环境空气为隔绝密封；所使用的两个基于湿法双向刻蚀硅的MEMS甲烷传感器构成惠斯通电桥检测桥臂；在基于湿法双向刻蚀硅的MEMS甲烷传感器的两个固定端102上施加电压或通以电流使硅加热元件101的工作点位于其电流-电阻特性曲线中转折点左侧的工作点区域、加热元件101的硅加热器1011发热，其特征在于电加热温度在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；当有甲烷气体出现时，与环境空气接触的的娃加热器1011的温度降低，使包括有该娃加热器1011的硅加热元件101的电阻发生显著变化，通过所述基于湿法双向刻蚀硅的MEMS甲烷传感器构成的惠斯通电桥实现低浓度甲烷气体的检测。两个硅加热元件的功耗在180mW左右，输出信号在1mv左右/CH4%。
【权利要求】
1.一种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(Ol)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);单个的硅悬臂(1012)长度至少300um ;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、与娃加热器(1011)整体构成U形悬臂结构,将娃加热器(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(OI)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金属(21)，所述电引出焊盘Pad金属(21)设在N型硅(02)之上的氧化硅层(20)上，且电引出焊盘Pad金属(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Pad金属(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。
【文档编号】G01N27/18GK204154680SQ201420643827
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年10月31日 优先权日:2014年10月31日
【发明者】马洪宇, 丁恩杰, 刘晓文, 赵小虎 申请人:中国矿业大学