MEMS催化燃烧传感器微加热芯片及传感器

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2024-03-12 16:49:30

权利要求书： 1.MEMS催化燃烧传感器微加热芯片，其特征在于，自下而上依次包括衬底(1)、绝缘支撑膜层(2)、加热测量层、保护层(10)；所述衬底(1)刻蚀有镂空区域(1’)；所述绝缘支撑膜层(2)位于镂空区域(1’)刻蚀有悬梁(2’)；所述加热测量层位于悬梁(2’)上；所述保护层(10)覆盖加热测量层；

所述加热测量层包括加热元件(3)、热电堆(100)；所述热电堆(100)包括热电堆冷结材料(8)、热电堆热结材料(9)；所述加热元件(3)、热电堆冷结材料(8)、热电堆热结材料(9)同层错位布设。

2.根据权利要求1所述的MEMS催化燃烧传感器微加热芯片，其特征在于，所述热电堆冷结材料(8)、热电堆热结材料(9)均盘设在所述绝缘支撑膜层(2)上，所述热电堆冷结材料(8)沿所述热电堆热结材料(9)的间隙盘设。

3.根据权利要求2所述的MEMS催化燃烧传感器微加热芯片，其特征在于，所述热电堆冷结材料(8)、热电堆热结材料(9)、加热元件(3)均采用S形走向盘设。

4.根据权利要求1至3任一所述的MEMS催化燃烧传感器微加热芯片，其特征在于，所述热电堆冷结材料(8)、热电堆热结材料(9)盘设在加热元件(3)的至少3侧。

5.根据权利要求1至3任一所述的MEMS催化燃烧传感器微加热芯片，其特征在于，所述热电堆冷结材料(8)、热电堆热结材料(9)、加热元件(3)通过引线引至所述绝缘支撑膜层除悬梁结构以外的区域与外部设备电性连接。

6.一种MEMS传感器，其特征在于，包括两颗如权利要求1至5任一所述的微加热芯片，两颗微加热芯片电性连接；其中一颗所述微加热芯片加载催化敏感材料。

7.根据权利要求6所述的MEMS传感器，其特征在于，两颗所述微加热芯片采用电桥模式电性连接。

8.根据权利要求7所述的MEMS传感器，其特征在于，MEMS传感器的电路包括催化燃烧传感器S1，RS1与RH1分别为催化燃烧传感器S1的热电堆(100)和加热元件(3)，热导传感器S2，RS2与RH2分别为热导传感器S2的热电堆(100)和加热元件(3)，电桥匹配电阻R1、R2，放大器U1，MOS管Q1、Q2、Q3，单片机U2；

所述R1、R2串联后，其中R1的非串联端接CC电源，R2的非串联端接地，R1、R2的串联公共点接U1的正相输入端；RS1、RS2串联后，其中RS2的非串联端接CC电源、RS1的非串联端通过Q2接地，RS1、RS2的串联公共点接U1的反相输入端、U1的输出端与单片机U2的AD采样端口连接；RH1、RH2串联后，其中RH2的非串联端接CC电源，RH1的非串联端通过Q3接地，RH1、RH2的串联公共点通过Q1接地；Q1、Q2、Q3的栅极分别与单片机U2的GPIO端连接。

说明书： MEMS催化燃烧传感器微加热芯片及传感器技术领域[0001] 本实用新型涉及催化燃烧气体传感、催化燃烧微加热芯片及热传导传感技术领域，具体来说是一种MEMS催化燃烧传感器微加热芯片及传感器。背景技术[0002] 随着物联网概念的不断发展，通过模拟鼻子感知气味的气体传感器的需求也在不断增长。作为气体传感器领域中的重要分支—催化燃烧式气体传感器以其结构简单、抗温湿度干扰、对非可燃气体无响应等优点被广泛应用到家庭天然气泄漏检测、矿下瓦斯监控、加氢站气体监控等。另外随着国家大力发展新能源汽车，电动汽车逐渐兴起，这为气体传感器带来巨大的发展空间。目前电动汽车都是通过电池给与动力，而锂电池因其高能量密度，输出电压高等优点已被市场上多家汽车厂商使用。然而锂电池鼓包、裂缝、破损等都比较容易引起内部短路发热，甚至导致汽车着火、爆炸。所以在使用过程中需要对电池进行监控，在电池出现故障时给与预警。[0003] 一般锂电池在破损时会产生大量的氢气，可通过气体传感器进行检测。电化学气体传感器因其反应速度慢，使用寿命短等缺点不能被采用。半导体气体传感器通过敏感材料与气体发生氧化还原反应进行传感器，然而目前传感器易受到温湿度，污染气体等环境因素影响难以被使用。而催化燃烧传感器通过黑白原件的相互配合可有效避免环境的干扰。当可燃气体在一定的浓度范围内时，催化燃烧传感器中的催化原件被铂丝加热到400℃左右使可燃气体发生无焰燃烧导致温度上升，通过铂丝感知温度变化实现传感。传统的催化燃烧传感器通过绕丝式铂丝进行加热，其功耗高体积大、铂丝绕丝困难、生产成本高、铂丝高温下易挥发等缺点使其逐渐被微机电系统(MEMS,Micro?Electro?MechanicalSystem)基加热器所取代。MEMS基微加热器在微米尺度上通过半导体工艺构建加热平台，可实现500℃以上的高温。目前市场上基于MEMS的催化燃烧微加热器通过溅射沉积铂到硅片上形成铂丝，在平面上加载催化材料，所以仍然通过铂同时进行加热及测量。我们知道当环境中出现可燃气体时，可燃气体在催化材料上发生无焰燃烧，导致材料温度上升，铂丝温度也随之升高。然而这会导致铂丝电阻增加，铂丝加热效率降低，即出现了信号抑制，铂丝电阻升高阻碍了温度的继续上升。另外，铂丝进行传感时其电阻变化随温度变化并不大，以传统的炜盛的催化燃烧甲烷传感器为例，根据国标1％甲烷浓度时电桥电压不小于12m的检测标准，传感器在最佳的电桥匹配下黑元件的铂丝也不足1Ω的电阻变化，铂丝的温度感知能力差限制了传感器的灵敏度。[0004] 另一方面，当环境中的待测气体超过一定浓度后，催化燃烧传感器会出现“双值效应”，即与某个低浓度所产生的信号相同，这是由于环境中氧占比减少导致的燃烧不充分造成的。热导传感器可实现在高浓度范围下的目标气体检测。热导气体传感器是根据混合气体的总导热系数随待测气体的含量不同而改变的原理制成。通常地，由检测元件和补偿元件配对组成电桥，遇热导系数比空气大的气体时检测元件电阻变小，相反则变大。热导传感器在使用时串联热电偶可补偿环境温度变化导致的偏移，所以测试电路可采用电桥电路。输出电压变化电桥电路反应气体浓度。目前基于热导原理的芯片也同样采用铂丝同时进行加热及测量，热导传感器无法检测浓度较低的气体，因为气体浓度需要达到一定程度后才能改变环境导热系数。

实用新型内容

[0005] 本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种检测精度高、适用于各种气体浓度的MEMS催化燃烧传感器微加热芯片。[0006] 本实用新型通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：[0007] MEMS催化燃烧传感器微加热芯片，自下而上依次包括衬底(1)、绝缘支撑膜层(2)、加热测量层、保护层(10)；所述衬底(1)刻蚀有镂空区域(1’)；所述绝缘支撑膜层(2)位于镂空区域(1’)刻蚀有悬梁(2’)；所述加热测量层位于悬梁(2’)上；所述保护层(10)覆盖加热测量层；[0008] 所述加热测量层包括加热元件(3)、热电堆(100)；所述热电堆(100)包括热电堆冷结材料(8)、热电堆热结材料(9)；所述加热元件(3)、热电堆冷结材料(8)、热电堆热结材料(9)同层错位布设。[0009] 本实用新型将加热与测量分离，可消除传统加热与测量一体时在催化燃烧过程中出现的信号抑制，催化燃烧传感器相应提高响应。热电堆与加热器同层设置，简化加工工艺，减小传感器尺寸。[0010] 进一步的，所述热电堆冷结材料(8)、热电堆热结材料(9)均盘设在所述绝缘支撑膜层(2)上，所述热电堆冷结材料(8)沿所述热电堆热结材料(9)的间隙盘设。[0011] 进一步的，所述热电堆冷结材料(8)、热电堆热结材料(9)、加热元件(3)均采用S形走向盘设。[0012] 进一步的，所述热电堆冷结材料(8)、热电堆热结材料(9)盘设在加热元件(3)的至少3侧。[0013] 进一步的，所述热电堆冷结材料(8)、热电堆热结材料(9)、加热元件(3)通过引线引至所述绝缘支撑膜层除悬梁结构以外的区域与外部设备电性连接。[0014] 本实用新型还提供一种MEMS传感器，包括两颗如上述的微加热芯片，两颗微加热芯片电性连接；其中一颗所述微加热芯片加载催化敏感材料。[0015] 进一步的，两颗所述微加热芯片采用电桥模式电性连接。[0016] 进一步的，MEMS传感器的电路包括催化燃烧传感器S1，RS1与RH1分别为催化燃烧传感器S1的热电堆(100)和加热元件(3)，热导传感器S2，RS2与RH2分别为热导传感器S2的热电堆(100)和加热元件(3)，电桥匹配电阻R1、R2，放大器U1，MOS管Q1、Q2、Q3，单片机U2；[0017] 所述R1、R2串联后，其中R1的非串联端接CC电源，R2的非串联端接地，R1、R2的串联公共点接U1的正相输入端；RS1、RS2串联后，其中RS2的非串联端接CC电源、RS1的非串联端通过Q2接地，RS1、RS2的串联公共点接U1的反相输入端、U1的输出端与单片机U2的AD采样端口连接；RH1、RH2串联后，其中RH2的非串联端接CC电源，RH1的非串联端通过Q3接地，RH1、RH2的串联公共点通过Q1接地；Q1、Q2、Q3的栅极分别与单片机U2的GPIO端连接。[0018] 本实用新型的优点在于：[0019] (1)本实用新型将加热与测量分离，可消除传统加热与测量一体时在催化燃烧过程中出现的信号抑制，催化燃烧传感器相应提高响应；[0020] (2)本实用新型所设计将MEMS工艺技术制造的热电堆作为测量元件，利用了热电堆测温的检测限低、灵敏度高的优势，可精确检测催化燃烧释放的热量，从而降低对催化剂材料的要求，降低传感器使用功耗。[0021] (3)本实用新型所设计催化燃烧传感与热电堆传感联用，提高传感器整体灵敏度，增加传感精度，扩大传感浓度范围。附图说明[0022] 图1为本实用新型实施例1中芯片基本结构的俯视示意图；[0023] 图2为本实用新型实施例1中芯片结构分解示意图；[0024] 图3为本实用新型实施例2中芯片联用示意图，在使用中左侧加载催化燃烧敏感材料成为催化燃烧传感器，右侧裸芯片作为热导传感器；[0025] 图4为本实用新型实施例2中的传感器使用电路控制原理图。具体实施方式[0026] 为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。[0027] 实施例1[0028] 本实施例提供一种利用热电堆测量催化燃烧过程中催化元件热量变化及热导传感中温度变化的芯片，结构如图1、图2所示，芯片结构主要包括衬底1、绝缘支撑膜层2、加热元件3、加热引线4、加热引脚5、热电堆引线6、热电堆引线7、热电堆冷结材料8、热电堆热结材料9、保护层10。衬底1中间位置刻蚀有镂空区域1’，绝缘材料层2在衬底1的上表面，用于绝缘支撑上面的器件。绝缘支撑膜层2位于镂空区域1’刻蚀有悬梁2’，加热元件3、热电堆均位于悬梁2’上。热器元件3可为气体燃烧及热导传感提供必要温度，其可采用热效率高，电阻温变小的材料(如，金、钨等)；组件3～9错位分布在加热元件的周围，热电堆冷结材料8与热电堆热结材料9位于同一层交叉排布，热电堆空间排布形成距离加热元件较接近的一端(近端)，较远离的一端(远端)；最上层的隔离保护层制造在微型加热器元件和热电堆之上，隔绝热电偶材料与空气接触，防止氧化其氧化，同时可防止高温使加热元件金属升华而造成长期的电阻漂移。[0029] 本实施例中，热电堆冷结材料、热电堆热结材料均盘设在绝缘支撑膜层上，其中热电堆冷结材料沿热电堆热结材料的间隙盘设。本实施例采用S形盘设方式，也可以采用回字形等其他盘设方式。[0030] 本实施例中，热电堆冷结材料、热电堆热结材料盘设在加热元件的至少3侧。热电堆冷结材料、热电堆热结材料、加热元件通过引线引至绝缘支撑膜层除悬梁结构以外的区域与外部设备电性连接。[0031] 本实施例所设计的MEMS传感芯片通过给加热元件施加电压以提供适当温度。集成在加热元件周围的热电偶中近端载流子流向远端，并聚集在远端，从而产生热电势。环境无变化时，该电势值相对稳定。本实用新型所设计芯片需要在加热元件区域上方加载催化燃烧元件，才能用作催化燃烧传感器。当外界有目标气体时，加载在催化燃烧传感器上的催化燃烧元件催化气体发生无焰燃烧，温度上升。近端相对远端温度上升较快，导致热电势增加，根据电势变化可实现催化燃烧传感器气体传感。相反地，对于热导传感器由于目标气体(如氢气等)导热系数高，降低了加热元件的温度，使热电势降低，也可根据热电势降低程度测量气体浓度。[0032] 实施例2[0033] 基于实施例1提供的芯片，可两颗联用，形成气体传感器，具体如下：[0034] 如图3所示，其中一颗作为催化燃烧传感器(图中左侧黑色部分为敏感材料)，在使用中需要加载催化敏感材料。另一颗作为热导传感器。两颗传感器采用电桥模式连接，并匹配适当电阻采集信号，同时可采集单个传感器信号。当环境中无目标气体时，热导传感器芯片同时可作为催化燃烧传感器的白元件，以补偿环境温度变化造成的催化燃烧传感器信号漂移。补偿具体通过测量不同温度下无目标气体时传感器的响应漂移，进行数据矫正。当环境中目标气体达到一定浓度时(如可燃气体氢气或甲烷在0.1％～8％)，可使催化燃烧传感器温度上升，热电堆产生电信号，而此时由于上述气体可以带走热导传感器表面的热量使其温度下降，造成相反电信号，电桥电路两个电信号相反的变化可增加传感器整体输出信号，从而提高了灵敏度。当环境中目标气体达到较高浓度时(如可燃气体氢气或甲烷大于8％)，催化燃烧传感器可能会出现“双值效应”，出现检测误差与前相反地，催化燃烧传感器的热电堆此时可以作为热导传感器的补偿元件。补偿通过测量无目标气体时热导传感器工作在不同温度下响应漂移进行数据矫正。据此所设计电路如图4，包括催化燃烧传感器S1，RS1与RH1分别为催化燃烧传感器S1的热电堆和加热元件，热导传感器S2，RS2与RH2分别为热导传感器S2的热电堆和加热元件，电桥匹配电阻R1、R2，放大器U1，MOS管Q1、Q2、Q3，单片机U2；

[0035] 所述R1、R2串联后，其中R1的非串联端接CC电源，R2的非串联端接地，R1、R2的串联公共点接U1的正相输入端；RS1、RS2串联后，其中RS2的非串联端接CC电源、RS1的非串联端通过Q2接地，RS1、RS2的串联公共点接U1的反相输入端、U1的输出端与单片机U2的AD采样端口连接；RH1、RH2串联后，其中RH2的非串联端接CC电源，RH1的非串联端通过Q3接地，RH1、RH2的串联公共点通过Q1接地；Q1、Q2、Q3的栅极分别与单片机U2的GPIO端连接。[0036] R1、R2和RS1、RS2组成电桥，U1放大电桥信号，单片机的AD引脚采集放大后的电桥信号。单片机的GPIO引脚控制Q1、Q2、Q3导通和断开。当Q2导通时传感器敏感电阻RS1、RS2处于工作状态；当Q2断开时传感器敏感电阻RS1、RS2处于不工作状态，正常状态下处于导通状态。外界浓度较低时，Q1断开、Q3导通，传感器RH1、RH2都处于工作状态。当外界可燃气体浓度很高时，Q1导通、Q3断开时，传感器RH2单独工作。[0037] 本实用新型结合催化燃烧与热导气体传感器特点，将传感器的加热与测量相分离，并同时满足两种传感器的使用需求，消除催化燃烧传感器的信号抑制，提高灵敏度。本实用新型创新地采用热电堆来检测传感过程中的温度变化，热电堆基于塞贝克效应(在温度场中，两种材料感温能力不同导致自身温度不同，热的一端叫做热结，冷的一段叫做冷结。材料内载流子会沿着温度梯度降低的方向移动，引起电荷积累在冷结上，回路中产生热电势)具有非常高的温敏特性，可感知0.1℃的温变，采用热电堆作测量可提高传感器的灵敏度。同时加热与测量分离给于了加热材料及测量方式更多的选择，比如可用热效率更高的钨丝做加热，用热电堆进行测量。[0038] 实施例3[0039] 实施例1所设计用于催化燃烧或热导传感器的微加热芯片的制造工艺如下：[0040] a：利用PECD技术，在单面抛光的硅衬底上沉积1um厚的氮化硅薄膜作为支撑膜层1；

[0041] b：利用磁控溅射技术，在所沉积的氮化硅薄膜上沉积20nm的金属钛作金属黏附层，然后接着在相同位置上沉积100nm厚的金属金、钨或镍铬合金等，充当加热器和热电偶的引线；[0042] d：利用磁控溅射技术，沉积100nm厚的金属镍，充当热电堆的热结材料。利用磁控溅射技术，沉积100nm厚的金属铬，充当热电堆的冷结材料，完成热电偶的制作；[0043] e：利用PECD技术，在加热器和热电偶材料上沉积200nm厚的氮化硅薄膜作为保护层6；[0044] f:利用RIE刻蚀技术，刻蚀2350nm厚的氮化硅薄膜，形成湿法刻蚀硅的窗口；[0045] g:利用湿法刻蚀技术，将硅片放置到KOH溶液中刻蚀，形成空腔(即镂空区域1’)。[0046] 实施例4[0047] 实施例1所设计用于催化燃烧或热导传感器的微加热芯片的制造工艺如下：[0048] a：利用PECD技术，在单面抛光的硅衬底上沉积1um厚的氮化硅薄膜作为支撑膜层1；

[0049] b：利用磁控溅射技术，在所沉积的氮化硅薄膜上沉积20nm的金属钛作金属黏附层，然后接着在相同位置上沉积200nm厚的金属金、钨或镍铬合金等，充当加热器和热电偶的引线；[0050] d：利用磁控溅射技术，沉积200nm厚的金属镍，充当热电堆的热结材料。利用磁控溅射技术，沉积200nm厚的金属铬，充当热电堆的冷结材料，完成热电偶的制作，除了上述两种热电偶材料外；[0051] e：利用PECD技术，在加热器和热电偶材料上沉积500nm厚的氮化硅薄膜作为保护层6；[0052] f:利用RIE刻蚀技术，刻蚀2350nm厚的氮化硅薄膜，形成湿法刻蚀硅的窗口；[0053] g:利用湿法刻蚀技术，将硅片放置到KOH溶液中刻蚀，形成空腔(即镂空区域1’)。[0054] 实施例5[0055] 实施例1所设计用于催化燃烧或热导传感器的微加热芯片的制造工艺如下：[0056] a：利用PECD技术，在单面抛光的硅衬底上沉积2um厚的氮化硅薄膜作为支撑膜层1；

[0057] b：利用磁控溅射技术，在所沉积的氮化硅薄膜上沉积10nm的金属钛作金属黏附层，然后接着在相同位置上沉积100nm厚的金属金、钨或镍铬合金等，充当加热器和热电偶的引线；[0058] d：利用磁控溅射技术，沉积200nm厚的金属金，充当热电堆的热结材料。利用磁控溅射技术，沉积200nm厚的P型多晶硅，充当热电堆的冷结材料，完成热电偶的制作，除了上述两种热电偶材料外；[0059] e：利用PECD技术，在加热器和热电偶材料上沉积500nm厚的氮化硅薄膜作为保护层6；[0060] f:利用RIE刻蚀技术，刻蚀2350nm厚的氮化硅薄膜，形成湿法刻蚀硅的窗口；[0061] g:利用湿法刻蚀技术，将硅片放置到KOH溶液中刻蚀，形成空腔(即镂空区域1’)。[0062] 以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。