[实用新型]基于硅加热器的MEMS甲烷传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及传感器，特别是一种工矿企业中对瓦斯防治时使用的基于硅加热器的MEMS甲烷传感器。

背景技术

随着物联网的发展，当前的甲烷传感器无法满足数量庞大的个人移动监测装备等对低功耗、长寿命、低成本的检测低浓度甲烷的高性能甲烷传感器的需求。目前基于传统铂丝加热的催化燃烧式甲烷传感器仍在煤矿井下广泛应用，其原理是基于甲烷气体的催化燃烧反应释热效应，其功耗较大，且由于使用催化剂存在诸多无法克服的缺点。如调校周期短、积碳、中毒、激活、性能不稳定、测量结果受氧气浓度的影响等从根本上是源于使用催化剂及催化剂载体。现有催化燃烧式甲烷传感器采用铂丝等贵金属绕制的线圈作为加热元件，难以批量化生产、且一致性较差，且功耗较大。因此，不能很好的满足物联网对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，也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。现有热导式甲烷传感器在煤矿井下用于检测高浓度的以甲烷为主的甲烷气体，对于低浓度(0～4％)的以甲烷为主的甲烷气体由于灵敏度太低则无法用于检测报警。本实用新型提供一种不使用催化剂的可检测低浓度(0～5％)甲烷的新型微型甲烷传感器。

发明内容

技术问题：针对上述技术的不足之处，提供一种结构简单，低浓度甲烷(0～4％)具有灵敏度高，该甲烷传感器以普通低成本硅圆片为衬底进行加工，可采用CMOS兼容的MEMS工艺批量化生产，成本低，且不使用传感器的基于硅加热器的MEMS甲烷传感器。

技术方案：为实现上述技术目的，本实用新型的基于硅加热器的MEMS甲烷传感器以P型硅为衬底，在所述P型硅衬底上形成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；所述单个硅悬臂长度至少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的外表面设有钝化保护层；所述固定端设在P型硅衬底上，所述固定端包括N型硅、N型硅上的氧化硅层及用作电引出焊盘Pad的金属，所述电引出焊盘金属Pad设在N型硅之上的氧化硅层上，且电引出焊盘金属Pad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，电引出焊盘金属Pad与其下的N型硅层接触部分没有氧化硅层；

在所述硅加热元件的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，尤其是使设在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。

有益效果：

1.本实用新型的基于硅加热器的MEMS甲烷传感器采用价格低廉的普通P型硅片为衬底，而不是高价格的SOI硅片，这使得原料成本大幅降低；且加工工艺简单，可与CMOS工艺兼容、易于批量化生产；硅刻蚀工艺采用湿法硅刻蚀工艺，使用低廉的化学溶液即可完成本实用新型器件的释放，与干法刻蚀相比，不需使用昂贵的干法刻蚀设备及加工费用，因此加工成本更低；因此本实用新型的甲烷传感器具有加工成本低廉的优势；

2.本实用新型的甲烷传感器的硅加热器悬在空气中远离硅衬底、距离大于300um以上，很好的降低了通过硅片损失的热量，因此可较低的功率即可将硅加热器加热到500℃以上的高温，具有功耗低的优势，单个硅加热元件工作时的功耗约80～90mW；

3.本实用新型的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、激活及其导致的不可预测的零点漂移等问题；同时，本实用新型的甲烷传感器对甲烷的检测无需氧气参与，因此不受空气中氧气的影响；

4.本实用新型的MEMS甲烷传感器以硅加热元件为加热元件和甲烷检测元件，不使用催化剂便可实现对低浓度甲烷气体(0～4％)的高灵敏度的检测；采用硅加热元件对甲烷检测，硅加热器的结构为多个硅加热条的并联形式，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；本实用新型的MEMS甲烷传感器的灵敏度可达10mV/CH₄％，可以直接推动仪表，达到了国家标准的要求。

5.本实用新型的甲烷传感器尺寸小，传感器功耗低，灵敏度高，而且响应速度快、响应速度可达40ms左右，输出信号线性度好，寿命长。