[实用新型]一种基于单个加热元件的甲烷传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种甲烷传感器，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。

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：本实用新型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。

技术方案：为实现上述目的，本实用新型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300um；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100um；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2um至200um。

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都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硅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5um，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1um。

有益效果：本实用新型提供了一种新型的甲烷传感器，该甲烷传感器以硅为加工材料，采用CMOS兼容的MEMS工艺加工，该甲烷传感器基于单个加热元件、单独的测量元件而未采用催化剂实现对低浓度甲烷的检测，并设有单独的环境温度传感元件检测传感器的片上温度。由于采用了上述方案，本实用新型的甲烷传感器具有以下有效效果：

1、本实用新型的甲烷传感器使用独立的加热元件与测量元件检测低浓度(0～4％)甲烷气体，未使用催化剂；由于没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、激活等问题；并且无需对甲烷进行催化燃式反即可实现甲烷检测，也就不需要氧气的参与，因此本实用新型的甲烷传感器对甲烷的检测不受空气中氧气的影响；