[发明专利]一种基于单个加热元件的甲烷传感器及制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种甲烷传感器及制备方法和应用，特别是一种工矿物联网中使用的基于单个加热元件的甲烷传感器及制备方法和应用。

背景技术

随着物联网的发展，当前的甲烷传感器无法满足单兵装备等对低功耗、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多是基于传统铂丝加热的催化燃烧式甲烷传感器，其原理是基于甲烷气体的催化燃烧反应释热效应。催化燃烧式甲烷传感器功耗较大，由于催化剂的使用，该种甲烷传感器具有积碳、中毒、激活等缺点，且性能不稳定、校验时间短。除此之外，现有催化燃烧式甲烷传感器采用铂丝等贵金属手工或机械绕制的线圈作为加热元件，难以批量化生产、且一致性与互换性较差，因此，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。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。其它的甲烷传感器亦难以适应煤矿井下特殊的使用环境。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种结构简单，不依赖催化剂，基于单个加热元件的能够检测低浓度甲烷的基于单个加热元件的甲烷传感器及制备方法和应用。

技术方案：为实现上述目的，本发明的基于单个加热元件的甲烷传感器包括加热元件、测量元件与环境温度测量元件；所述环境温度测量元件设在支座上；

所述加热元件由两个固定端、两个并排设置的支撑臂A与加热器构成，两个支撑臂A的两端分别与固定端和加热器相连接，形成二端子器件；所述每个支撑臂A的长度至少300μm；所述测量元件由两个固定端、测量构件和两个支撑臂B构成，两个支撑臂B分别与测量构件的两端相连接，两个支撑臂B的另一端分别与两个固定端相连，构成二端子器件；所述每个支撑悬臂B的长度至少100μm；所述加热元件的固定端与测量元件的固定端相互独立的设在支座上，其余部分悬置在空气中；加热元件和测量元件在结构上都为悬臂梁结构；所述加热元件的加热器为环形结构，所述测量元件的测量构件为“一”字结构或圆弧状结构，所述加热元件的加热器与测量元件的测量构件之间不接触，所述相隔距离为2μm至200μm。

所述支座包括衬底与设在衬底上的隔离氧化硅层，及设在隔离氧化硅上的顶层单晶硅层；加热元件、测量元件与环境温度测量元件采用设在隔离氧化硅上的顶层单晶硅层加工形成，加热元件、测量元件与环境温度测量元件的硅结构分别与隔离氧化硅上的其它的顶层单晶硅层隔离不相连接；所述衬底为硅或其它可采用MEMS工艺加工的材料；所述设在支座上的环境温度测量元件包括两个电极引出端及测量电阻；

加热元件与测量元件的固定端及环境温度测量元件的电极引出端由顶层单晶硅层形加工成，在顶层单晶硅层外有氧化硅层，在氧化硅层上设有电引出焊盘金属；所述固定端与电极引出端的顶层单晶硅层内设有掺杂硅层；所述电引出焊盘金属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；

所述加热元件的伸出在空气中的支撑臂A与加热器以及测量元件的伸出在空气中的测量构件、支撑臂B的外表面设有钝化保护层；所述环境温度测量元件的测量电阻的外表面同样设有钝化保护层；所述钝化保护层为氧化硅，或氧化铪，或氧化硅/氧化铝复合层，或氧化铪/氧化铝复合层，或氧化铪/氮化硅复合层，或氧化铝/氮化硅复合层，或氧化硅/氮化硅复合层，或氧化硅、氧化铪、氧化铝、氮化硅几种材料组合形成的复合层；其中氧化硅的厚度至少10nm，氧化铪的厚度至少为5nm，氧化铝厚度至少6nm，氮化硅厚度至少10nm，整个钝化保护层的厚度不超过1μm。

一种基于单个加热元件的甲烷传感器的甲烷检测应用方法，所述基于单个加热元件的甲烷传感器的加热元件通以较大电流或施加较大电压进入电流-电阻特性曲线中转折点左侧的工作区域、加热器的加热温度在500℃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；测量元件与环境温度测量元件则都通以不产生明显高于环境空气温度的微小电流；当没有甲烷气体时，测量元件受加热元件的加热高温影响温度升高，电阻也增大；当甲烷气体出现及浓度增加时，加热元件的温度降低，独立的测量元件受其影响温度也降低，导致自身电阻的降低，通过电学测量方法检测测量元件的电学参数(如电阻)的变化实现甲烷浓度的测量；采用环境温度测量元件测量环境温度，用以调整加热元件的加热状态，还可用以对测量所获得的数据进行温度补偿。

基于单个加热元件的甲烷传感器的制备方法包括以下三种制备方法：

制备方法(一)的步骤为：