[发明专利]一种微型甲烷传感器及甲烷检测方法

摘要

一种微型甲烷传感器及甲烷检测方法，适用于甲烷检测、进一步的适用于煤矿井下的甲烷检测使用。该甲烷传感器包括一个加热元件、一个或多个测量元件，其加热元件单独加热到高温工作状态，与加热元件相独立的测量元件不施加外加电流或电压而直接测量电压用于检测瓦斯气体浓度。该甲烷传感器加工工艺与CMOS工艺兼容。其结构简单功耗低、灵敏度高、抗干扰性好、成本低。

主权项

1.一种微型甲烷传感器的甲烷检测方法，使用的微型甲烷传感器包括支座（100）、加热元件（101）以及一个或多个相互独立的测量元件（102）；/n所述支座（100）包括衬底（11）与设在衬底（11）上的隔离氧化硅层（12），隔离氧化硅层（12）上方设有单晶硅层（13）；/n所述加热元件（101）和每个测量元件（102）均包括并排设置在支座（100）上的U形悬臂和两个固定端（1001）；所述加热元件（101）的固定端（1001）与测量元件（102）的固定端（1001）相互独立的设在支座（100）上，互不接触；所述加热元件（101）及测量元件（102）均通过各自的两个固定端（1001）设在支座（100）上，加热元件（101）的U形悬臂Ⅰ（1012）和测量元件（102）的U形悬臂Ⅱ（1022）的两端分别与两个固定端（1001）形成二端子器件，加热元件（101）的U形悬臂Ⅰ（1012）和测量元件（102）的U形悬臂Ⅱ（1022）悬置在空气中；所述固定端（1001）的单晶硅层（13）由支座（100）上的单晶硅层（13）加工而成，并与固定端之外支座（100）上其余部分的单晶硅层（13）不相连接，固定端（1001）的单晶硅层（13）中间设有掺杂硅层（24），固定端（1001）的单晶硅层（13）上可设有氧化硅层（23），电引出焊盘金属（22）通过氧化硅层（23）的窗口与固定端（1001）的掺杂硅层（24）相接触构成欧姆接触；/n所述加热元件（101）的U形悬臂Ⅰ（1012）为单晶硅层（13）构成，由支座（100）上的单晶硅层（13）加工而成并与加热元件（101）的两个固定端（1001）的单晶硅层（13）连接，所述焊盘金属（22）从固定端（1001）引出直至U形悬臂Ⅰ（1012）上；/n所述加热元件（101）与测量元件（102）的硅结构以及各个测量元件（102）的硅结构之间均相互隔离，加热元件（101）、测量元件（102）的硅结构也都与隔离氧化硅层（12）上的其它的顶层单晶硅层（13）隔离不相连接；所述衬底（11）为硅或其它可采用MEMS工艺加工的材料；/n所述加热元件（101）的U形悬臂Ⅰ（1012）的两条支撑臂上都设有由电引出焊盘金属（22）延伸出的金属层，两条支撑臂上的金属层延伸长度相同、且均不超过支撑臂长度的一半，加热元件（101）的U形悬臂Ⅰ（1012）的两支撑臂的宽度相同，其上由电引出焊盘金属（22）延伸出的金属层宽度相同且都窄于支撑臂的宽度；所述U形悬臂Ⅱ（1022）的两个并排支撑臂宽度相同；在所述U形悬臂Ⅱ（1022）的一条支撑臂上设有由电引出焊盘金属（22）延伸出的金属层，长度不超过所在支撑臂的长度，宽度窄于所在支撑臂的宽度；/n所述固定端（1001）由顶层单晶硅层（13）加工形成；顶层单晶硅层（13）上根据需要设有氧化硅层（23），设有氧化硅层（23）时，在氧化硅层（23）上设有电引出焊盘金属（22），电引出焊盘金属（22），通过所述氧化硅层（23）的窗口与其下单晶硅层（13）接触，不设氧化硅层（23）时，在固定端（1001）上的单晶硅层（13）上直接设置电引出焊盘金属（22）；电引出焊盘金属（22）的外形面积小于固定端（1001）外形面积；/n所述测量元件（102）垂直设置在加热元件（101）两侧，测量元件（102）的U形悬臂Ⅱ（1022）放置于加热元件（101）两支撑臂的上下两侧，所述测量元件（102）的U形悬臂Ⅱ（1022）末端外侧与对应的加热元件（101）支撑臂外侧之间的距离为2um至10um，所述测量元件（102）的U形悬臂Ⅱ（1022）末端的中点与加热元件（101）的支撑臂上的金属层尽头相对齐；/n其特征在于步骤为：/n对加热元件（101）通以直流电流或施加直流电压，所施加的电流或电压较大且使加热元件（101）的U形悬臂Ⅰ（1012）末端加热到550℃以上的高温，测量元件（102）则不通电流亦不施加电压而直接测量其两端电压；/n以测量元件（102）在无甲烷气体的正常环境中的两个固定端（1001）两端电压作为参考电压；当甲烷气体浓度改变时，测量元件（102）的两个固定端（1001）端电压发生改变；根据测量元件（102）的两个固定端（1001）的端电压实现甲烷浓度的检测。/n