[发明专利]一种多模式工作MEMS气体传感器及其工作方法

说明书

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种多模式工作MEMS气体传感器及其工作方法。该双模式工作MEMS气体传感器包括衬底、第一绝缘支撑层、加热电阻层、第二绝缘支撑层、敏感电极层、半导体气敏材料层、燃烧催化材料层，悬膜通孔。本发明通过在MEMS微热板加热区的悬膜正反面分别附着半导体气敏材料和燃烧催化材料，从而在同一MEMS微热板上实现半导体式和催化燃烧式气体传感器两种工作方式稳定可靠检测。该MEMS气体传感器尺寸小、成本低、检测气体种类多。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种多模式工作MEMS气体传感器及其工作方法。

背景技术

可燃气体作为化学能源存储方式，是一种重要的能源形式。燃气灶具、热水器在居民家庭生活中广泛使用；汽油、柴油目前仍然是汽车的主要能源供给方式，氢能源汽车则可能是未来解决环境污染的较佳方案。燃气泄漏会造成严重的火灾、爆炸事故，燃气泄漏检测催生了对可燃气体传感器的巨大市场需求。另外，含碳可燃气体在燃烧时，燃烧不充分容易产生CO等毒气，严重威胁着人们生命安全和健康。因此，迫切需要低成本高品质的可燃气体传感器，以及CO等毒气气体传感器。

目前，可燃气体成熟的检测方案为通过催化方式使可燃气体发生无焰燃烧，通过感测燃烧产生的热量来检测可燃气体的浓度；CO等毒气采用半导体式气体传感器或电化学式气体传感器进行检测；另外，也有部分厂家只采用半导体式气体传感器，通过双工作温度来同时检测甲烷和CO气体，但因为半导体式气体传感器存在选择性差、抗干扰性差等问题，容易产生误报和漏报，难以满足越来越高的检测需求。在实际使用中，采用单一半导体式气体传感器检测能力受限，而采用多传感器方案时则成本较高，不利于产品推广。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供了一种多模式工作MEMS气体传感器及其工作方法，以解决现有可燃气体和CO等毒气检测技术中存在的问题。

本发明所提供的技术方案如下：

一种多模式工作MEMS气体传感器，包括：

衬底；

设置在所述衬底上的第一绝缘支撑层；

设置在所述第一绝缘支撑层上的加热电阻层；

设置在所述加热电阻层上的第二绝缘支撑层；

设置在所述第二绝缘支撑层上的敏感电极层；

设置在所述敏感电极层上的半导体气敏材料层，所述敏感电极层电连接所述半导体气敏材料层；

以及设置在所述第一绝缘支撑层的悬膜下的燃烧催化材料层。

上述技术方案中：

基于加热电阻层的工作，气体传感器可工作在高低两个恒温条件下；

半导体气敏材料层阻值可工作在低恒温下，获取其阻值变化，可获得第一成分气体浓度；

燃烧催化材料层工作在高恒温下，并通过燃烧第二成分气体放热。同时，可基于加热电阻层获得其在燃烧催化材料层工作前、后功率的变化，并结合第二成分气体浓度和燃烧功率的关系，而获得第二成分气体浓度。

具体的，所述衬底的材料为单晶硅。单晶硅（包括N型和P型掺杂的硅晶体）应用于MEMS衬底中，其优点是容易在衬底上集成CMOS集成电路，具有成熟的MEMS工艺方案、设备。

具体的，所述第一绝缘支撑层、第二绝缘支撑层的材料为氮化硅、氧化硅、氮氧化硅。采用CVD（化学气相沉积）工艺形成的氮化硅绝缘薄膜支撑层具有较高的力学强度，能够承受MEMS高温工作导致的热应力；采用CVD工艺形成的氧化硅薄膜具有较低的热导系数，可以实现更好的温度隔离；采用CVD工艺形成的氮氧化硅薄膜，可以调配薄膜力学性能、热导系数、薄膜应力，实现高度可靠的MEMS微热盘结构。

具体的，所述加热电阻层包括：

至少一根加热电阻丝，其设置在所述第一绝缘支撑层和所述第二绝缘支撑层之间，其布置的路径经过所述半导体气敏材料层和燃烧催化材料层在所述第一绝缘支撑层上的投影区域；