[发明专利]一种低功耗微热板型高温气体传感器及制作方法

说明书

本发明提供一种低功耗微热板型高温气体传感器及制作方法，属于传感器的技术领域，包括微热板结构和催化剂；微热板结构包括桥式基底、设置在桥式基底正面的支撑膜层、设置在支撑膜层上的加热元件、设置在加热元件上且将加热元件封装在内的隔离层以及设置在隔离层上的测量电极；隔离层上设置有引线孔；催化剂和测量电极通过引线孔分别与加热元件接触；桥式基底为碳化硅；支撑膜层和隔离层均为未掺杂多晶碳化硅薄膜；加热元件为n‑型掺杂多晶碳化硅薄膜；测量电极为金属铂电极；催化剂为负载贵金属纳米颗粒的氮化硼气凝胶。该传感器功耗低、有效缓解了高温下隔离层与加热元件热应力失配问题、可满足高温恶劣环境下的可燃气体成分的原位测试需求。

技术领域

本发明涉及传感器的技术领域，特别是涉及一种低功耗微热板型高温气体传感器及制作方法。

背景技术

航空、航天飞行器及其发动机燃烧室内可燃气体的成分和浓度对燃烧过程及飞行安全有重大的影响。燃料浓度必须在一定的范围内混合时才能燃烧。例如，对于发动机启动点火过程，特别是高空再点火，由于发动机处于冷状态，气流温度和压力都不高，如果混合气形成不良（燃料蒸发性差），发动机便无法点火启动，造成事故。通过监测航空、航天飞行器及其发动机高温燃烧室内燃料中的碳氢化合物成分，对可燃气体化学反应过程规律进行更深入、全面的研究，用于判断发动机燃烧效率和发动机健康状态，为飞行器安全预警及进一步提高和改进推进系统工作效率提供参考数据。通过监测飞行器关键部位低浓度的氢或烃类可燃气体，进行燃料泄露判断分析，防止可燃气体浓度达到爆炸条件，避免灾难发生。

基于催化燃烧的可燃气体传感技术在氢气及烃类可燃气体检测、工业安全和环境监测等领域起到至关重要作用。其基本原理是当达到一定温度，可燃气体在检测元件载体表面和催化剂材料的共同作用下发生无焰燃烧，载体温度就相应升高，通过它内部的铂电阻阻值也会发生相应改变，从而根据温度的变化来确定待测气体的浓度。该类传感器工作温度高、结构简单、对环境的温湿度影响不敏感，适于高温恶劣工作环境。该类传感器结合MEMS（Micro Electro Mechanical Systems，微机电系统）技术制成的微热板型气体传感器更具有体积小、成本低，适合大批量生产的特点，适于安装在航天器需求的任意位置，用以分析发动机燃烧室或航天器关键部件周围环境气体成分变化。

但是现有的微热板型气体传感器还具有诸多不足：对于现有大多数气体敏感材料而言，需要一定温度以增强其性能(灵敏度、选择性、响应时间和恢复时间等)，典型的催化温度范围为500-700K，这就使得功耗问题尤为突出；传统MEMS硅基微热板结构存在温度漂移和热膨胀系数不匹配带来的可靠性下降问题；且大多数的气敏材料在高温工作环境下，会产生材料失效问题从而导致传感器无法正常工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低功耗微热板型高温气体传感器及制作方法，以改善微热板型气体传感器存在的上述技术问题。

本发明提供一种低功耗微热板型高温气体传感器，包括微热板结构和设置在微热板结构上的催化剂；微热板结构包括桥式基底、设置在桥式基底正面的支撑膜层、设置在支撑膜层上的加热元件、设置在加热元件上且将加热元件封装在内的隔离层以及设置在隔离层上的测量电极；隔离层上设置有引线孔；催化剂和测量电极通过引线孔分别与加热元件接触；桥式基底为碳化硅；支撑膜层和隔离层均为未掺杂多晶碳化硅薄膜；加热元件为n-型掺杂多晶碳化硅薄膜；测量电极为金属铂电极；催化剂为负载贵金属纳米颗粒的氮化硼气凝胶。其中，未掺杂多晶碳化硅是相对于掺杂多晶碳化硅而言的，即纯多晶碳化硅，或者可以称非掺杂多晶碳化硅。

进一步地，隔离层和测量电极之间设置有缓冲层；缓冲层为金属钛层。

进一步地，未掺杂多晶碳化硅薄膜的厚度为150nm；n-型掺杂多晶碳化硅薄膜的厚度为100nm；金属钛层的厚度为10nm；金属铂电极的厚度为90nm。

进一步地，桥式基底背面与催化剂对应的区域向内凹陷形成薄区膜片结构。