一种单片微瓦斯传感器的制造方法
【专利摘要】一种单片微瓦斯传感器，传感器的加热元件和测温元件通过固定端固定在硅框架支座上，在加热元件上设有催化剂载体，加热元件和测温元件是相互独立的，加热元件、测温元件不存在电气连接；采用加热元件单独加热催化剂载体，测温元件单独检测因瓦斯催化燃烧形成的温升；采用MEMS技术加工的用于煤矿井下检测瓦斯浓度的一种瓦斯传感器，其制备工艺与CMOS工艺兼容。优点：该传感器配置简单，操作容易，功耗低、灵敏度高。加热元件整体嵌入催化剂载体中，提高电致发热效率，高效利用加热器的热量，还可独立调控加热元件、检测测温元件。
【专利说明】一种单片微瓦斯传感器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种瓦斯传感器，特别是一种单片微瓦斯传感器。
【背景技术】
[0002]目前基于传统钼丝加热的催化燃烧式瓦斯传感器仍在煤矿井下广泛应用，但其功耗较大，不能很好的满足物联网对低功耗瓦斯传感器的应用需求。而其它的瓦斯传感器则较难适应煤矿井下高湿度的环境。以往报道的微瓦斯传感器，多采用金属钼电阻作为加热元件，该钼电阻同时也作为测温元件。由于加热元件、测温元件是同一个钼电阻，这使得对温度测量的诸多先进技术受同时施加在钼电阻上的加热电压或电流的制约而无法应用，限制了瓦斯检测技术的发展。
实用新型内容
[0003]技术问题:本实用新型的目的是提供一种单片微瓦斯传感器，解决现有催化燃烧式瓦斯传感器的钼丝电阻元件复用所带来的问题，即同一个钼丝电阻同时作为加热元件及测温元件在控制温度与测量温度时无法分别调控的问题。
[0004]技术方案:本实用新型的目的是这样实现的:该单片微瓦斯传感器包括催化剂载体、加热元件、测温元件、固定端与硅框架支座；所述硅框架支座包括硅衬底与设在硅衬底上的埋层氧化硅；所述固定端包括支撑硅层、设在支撑硅层外的氧化硅层，设在氧化硅层上的用作电引出焊盘Pad的金属层；所述固定端的支撑硅层内设有掺杂硅层；所述电引出焊盘Pad的金属层通过氧化硅层的窗口与固定端的掺杂硅层相接触构成欧姆接触；所述固定端设在硅框架支座上的埋层氧化硅上；所述加热元件、测温元件均包括支撑硅层、设在支撑娃层外的氧化娃层；加热兀件设有娃加热器、两个对称设置的娃悬臂；所述娃加热器较佳为圆环形，圆环形娃加热器中间较佳设有两个对称内伸的散热-支撑娃块；所述娃悬臂的一端与娃加热器相连，另一端与娃框架支座上的固定端相连；所述加热兀件的娃加热器上设有催化剂载体，加热元件的硅加热器完全嵌入在催化剂载体中，并且催化剂载体贯穿于硅加热器中，尤其是催化剂载体是一个整体结构；所述测温元件设有硅测温环、两个对称设置的硅连接臂，两个对称设置的硅支撑臂；所述硅测温环、硅连接臂、硅支撑臂、固定端依次相连；加热元件、测温元件分别与其各自的固定端构成独立的二端器件通路，并通过固定端固定在硅框架支座上的埋层氧化硅上；
[0005]所述测温元件的硅测温环与加热元件的硅加热器的边缘距离为3um至IOOum ;与测温元件相连的固定端以及与加热元件相连的固定端较佳设置在硅框架支座的相同一侧的位置；
[0006]加热元件独立加热催化剂载体，测温元件独立检测因瓦斯催化燃烧造成的温升，测温元件测量时不受加热元件所施加的电压或电流的影响。
[0007]有益效果，由于采用了上述方案，本实用新型的单片硅微瓦斯传感器采用MEMS工艺加工，加热元件与测温元件从SOI硅片中释放出来、悬在空气中，很大程度上降低了通过SOI硅片的热量损失，因此可有效的降低加热元件的功耗；加热元件与测温元件没有直接接触，加热元件及其在在瓦斯催化燃烧时所释放的热量主要通过空气的热传导及热辐射的方式被其一侧的测温元件检测。其制备方法可与CMOS工艺兼容，批量制作可降低成本、并提高一致性。传感器功耗低、灵敏度高，能够满足煤矿井下环境物联网对瓦斯传感器的需求。
[0008]优点:本实用新型提供的单片微瓦斯传感器，其加热元件与测温元件都通过固定端固定在同一个器件上，实现瓦斯的单片检测；加热元件与测温元件相互独立，不再受传统的单一元件加热与测温功能复用的限制，可单独调控加热元件、单独对测温元件进行检测。分别对加热元件与测温元件进行调控，可为传感器提供多样性的工作模式，且配置简单、工作灵活、因此提高了传感器的综合性能。
[0009]所述加热元件、测温元件等构件的图形根据MEMS加工实际情况可能不同于本实用新型的描述，仍属本实用新型所主张的权利要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为本实用新型的分立的硅器件的俯视示意图。
[0011]图2为本实用新型的分立的硅器件负载催化剂载体后的俯视示意图。
[0012]图3为本实用新型的分立的硅器件或负载有催化剂载体及催化剂的分立的硅器件的固定端的剖视图，即图2中的A-A截面剖视图。
[0013]图4为本实用新型的分立的硅器件负载催化剂载体后的剖视图，即图2中的B-B截面剖视图。
【具体实施方式】
[0014]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:
[0015]如图1、图2所示，本实用新型的单片微瓦斯传感器包括催化剂载体105、加热元件103、测温元件104、固定端102与硅框架支座101 ;所述硅框架支座101包括硅衬底11与设在硅衬底11上的埋层氧化硅12 ;所述固定端102如图3所示，包括支撑硅层21、设在支撑硅层21外的氧化硅层23，设在氧化硅层23上的用作电引出焊盘Pad的金属层22 ;所述固定端102的支撑硅层21内设有掺杂硅层24 ;所述电引出焊盘Pad的金属层22通过氧化硅层23的窗口与固定端102的掺杂硅层24相接触构成欧姆接触；所述固定端102设在硅框架支座101上的埋层氧化硅12上；所述加热元件103、测温元件104均包括支撑硅层21、设在支撑娃层21外的氧化娃层23 ;加热兀件103设有娃加热器1031、两个对称设置的娃悬臂1032 ;所述硅加热器1031较佳为圆环形，圆环形硅加热器1031中间较佳设有两个对称内伸的散热-支撑娃块1033 ;所述娃悬臂1032的一端与娃加热器1031相连,另一端与娃框架支座101上的固定端102相连；所述加热元件103的硅加热器1031上设有催化剂载体105，加热元件103的硅加热器1031完全嵌入在催化剂载体105中，并且催化剂载体105贯穿于硅加热器1031中，尤其是催化剂载体105是一个整体结构，如图4所示；所述测温元件104设有硅测温环1041、两个对称设置的硅连接臂1042，两个对称设置的硅支撑臂1043 ;所述硅测温环1041、硅连接臂1042、硅支撑臂1043、固定端102依次相连；加热元件103、测温元件104分别与其各自的固定端102构成独立的二端器件通路，并通过固定端102固定在硅框架支座101上的埋层氧化硅12上；
[0016]所述测温元件104的硅测温环1041与加热元件103的硅加热器1031的边缘距离为3um至IOOum ;与测温元件104相连的固定端102以及与加热元件103相连的固定端102较佳设置在硅框架支座101的相同一侧的位置；
[0017]加热元件103独立加热催化剂载体105，测温元件104独立检测因瓦斯催化燃烧造成的温升，测温元件104测量时不受加热元件103所施加的电压或电流的影响。
【权利要求】
1.一种单片微瓦斯传感器，其特征在于:该单片微瓦斯传感器包括催化剂载体(105)、加热元件(103)、测温元件(104)、固定端(102)与硅框架支座(101);所述硅框架支座(101)包括硅衬底(11)与设在硅衬底(11)上的埋层氧化硅(12);所述固定端(102)包括支撑硅层(21)、设在支撑硅层(21)外的氧化硅层(23)，设在氧化硅层(23)上的用作电引出焊盘Pad的金属层(22);所述固定端(102)的支撑硅层(21)内设有掺杂硅层(24);所述电引出焊盘Pad的金属层(22)通过氧化硅层(23)的窗口与固定端(102)的掺杂硅层(24)相接触构成欧姆接触；所述固定端(102)设在硅框架支座(101)上的埋层氧化硅(12)上；所述加热元件(103)、测温元件(104)均包括支撑硅层(21)、设在支撑硅层(21)外的氧化硅层(23);加热兀件(103)设有娃加热器(1031)、两个对称设置的娃悬臂(1032);所述娃加热器(1031)较佳为圆环形，圆环形硅加热器(1031)中间较佳设有两个对称内伸的散热-支撑硅块(1033);所述娃悬臂(1032)的一端与娃加热器(1031)相连,另一端与娃框架支座(101)上的固定端(102)相连；所述加热元件(103)的硅加热器(1031)上设有催化剂载体(105)，加热元件(103 )的硅加热器(1031)完全嵌入在催化剂载体(105 )中，并且催化剂载体(105 )贯穿于硅加热器(1031)中，尤其是催化剂载体(105)是一个整体结构；所述测温元件(104)设有硅测温环(1041 )、两个对称设置的硅连接臂(1042)，两个对称设置的硅支撑臂(1043)；所述硅测温环(1041)、硅连接臂(1042)、硅支撑臂(1043)、固定端(102)依次相连；加热元件(103)、测温元件(104)分别与其各自的固定端(102)构成独立的二端器件通路，并通过固定端(102)固定在硅框架支座(101)上的埋层氧化硅(12)上； 所述测温元件(104)的硅测温环(1041)与加热元件(103)的硅加热器(1031)的边缘距离为3um至IOOum ;与测温元件(104)相连的固定端(102)以及与加热元件(103)相连的固定端(102)较佳设置在硅框架支座(101)的相同一侧的位置； 加热元件(103)独立加热催化剂载体(105)，测温元件(104)独立检测因瓦斯催化燃烧造成的温升，测温元件(104)测量时不受加热元件(103)所施加的电压或电流的影响。
【文档编号】G01N27/16GK203519540SQ201320599081
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年9月26日 优先权日:2013年9月26日
【发明者】马洪宇, 王文娟, 丁恩杰, 赵小虎, 程婷婷 申请人:中国矿业大学