一种微型甲烷传感器及甲烷检测方法技术

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。

【技术实现步骤摘要】
一种微型甲烷传感器及甲烷检测方法
本专利技术涉及一种微型甲烷传感器及甲烷检测方法，尤其是一种适用于煤矿井下使用的微型甲烷传感器及甲烷检测方法。
技术介绍
专利技术人之前提出的一种基于单个加热元件的微型甲烷传感器及其制备方法(ZL201410605995.4)，其测量元件在工作时需要施加电流，然后才能检测测量元件上的电压来探测甲烷及其浓度。这需要额外的电路提供所需要的电流，电路复杂；需要消耗一定的功率以提供电流激励。并且，由于不同测量元件之间的差异性，施加相同的电流时将会产生不同的电压，一致性差，不便于测量，不便于批量校准。除此之外，其加热元件也不利于施加交流信号，即使施加交流加热信号，其测量元件上无法直接测量得到频率、相位、幅度这些丰富的交流传感信号。
技术实现思路
技术问题：本专利技术的目的是提供一种结构简单，使用效果好，不依赖催化剂的基于单个加热元件以及与其相独立的可以产生电压并直接测量的测量元件的微型甲烷传感器及甲烷检测方法。技术方案：为实现上述技术目的，本专利技术的微型甲烷传感器，包括支座、加热元件以及一个或多个相互独立的测量元件；所述支座包括衬底与设在衬底上的隔离氧化硅层，隔离氧化硅层上方设有单晶硅层；所述加热元件和每个测量元件均包括并排设置在支座上的U形悬臂和两个固定端；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，互不接触；所述加热元件及测量元件均通过各自的两个固定端设在支座上，加热元件的U形悬臂Ⅰ和测量元件的U形悬臂Ⅱ的两端分别与两个固定端形成二端子器件，加热元件的U形悬臂Ⅰ和测量元件的U形悬臂Ⅱ悬置在空气中；所述固定端的单晶硅层由支座上的单晶硅层加工而成，并与固定端之外支座上其余部分的单晶硅层不相连接，固定端的单晶硅层中间设有掺杂硅层，固定端的单晶硅层上可设有氧化硅层，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U形悬臂Ⅰ为单晶硅层构成，由支座上的单晶硅层加工而成并与加热元件的两个固定端的单晶硅层连接，所述焊盘金属从固定端引出直至U形悬臂Ⅰ上；所述加热元件与测量元件的硅结构以及各个测量元件的硅结构之间均相互隔离，加热元件、测量元件的硅结构也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；所述加热元件的U形悬臂Ⅰ的两条支撑臂上都设有由电引出焊盘金属延伸出的金属层，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，；加热元件的U形悬臂Ⅰ的两支撑臂的宽度相同，其上由电引出焊盘金属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的两个并排支撑臂宽度相同；在所述U形悬臂Ⅱ的一条支撑臂上设有由电引出焊盘金属延伸出的金属层，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；所述固定端由顶层单晶硅层加工形成；顶层单晶硅层上根据需要设有氧化硅层，设有氧化硅层时，在氧化硅层上设有电引出焊盘金属，电引出焊盘金属，通过所述氧化硅层的窗口与其下单晶硅层接触，不设氧化硅层时，在固定端上的单晶硅层上直接设置电引出焊盘金属；电引出焊盘金属的外形面积小于固定端外形面积。所述测量元件垂直设置在加热元件两侧，测量元件的U形悬臂放置于加热元件两支撑臂的上下两侧，所述测量元件的U形悬臂末端外侧与对应的加热元件支撑臂外侧之间的距离为2um至10um，所述测量元件的U形悬臂末端的中点与加热元件的支撑臂上的金属层尽头相对齐；垂直放置一个或上下两侧各放一个测量元件，放置两个结构相同的测量元件时，所述两个测量元件关于加热元件是对称的，两个测量元件的U形悬臂末端与对应的加热元件支撑臂之间的距离相同；所述测量元件放置于加热元件同侧或另一侧时，测量元件与加热元件沿上下中轴线上下居中对齐，测量元件的U形悬臂末端外侧与加热元件的U形悬臂末端外侧之间的距离为10um至100um。一种微型甲烷传感器的甲烷检测方法，其步骤为：对加热元件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的U形悬臂末端加热到550℃以上的高温，测量元件则不通电流亦不施加电压而直接测量其两端电压；以测量元件在无甲烷气体的正常环境中的两个固定端两端电压作为参考电压；当甲烷气体浓度改变时，测量元件的两个固定端端电压发生改变；根据测量元件的两个固定端的端电压实现甲烷浓度的检测。一种微型甲烷传感器的甲烷检测方法，其步骤为：对加热元件施加交流电流或电压，使加热元件的U形悬臂末端加热到550℃以上的高温，对测量元件则不通电流也不施加电压而直接测量其两端电压信号；甲烷气体浓度改变时，所述测量元件的两个固定端两端电压信号的频率、相位、幅度随之发生变化，通过检测测量元件两个固定端的端电压信号的频率、相位、幅度的变化实现甲烷浓度的传感；即以没有甲烷时所述测量元件的两个固定端的两端电压信号作为参考信号，根据测量元件的两个固定端电压信号与所述参考信号的比较得到甲烷的浓度，即以测量元件的两个固定端电压信号的频率差值、相位差值、幅度差值得到甲烷浓度。一种微型甲烷传感器的甲烷检测方法，其步骤为：在加热元件上下两侧分别对称布置A、B两个结构相同的测量元件，在加热元件上施加直流电流，A、B两个测量元件产生不同的电压，不同的电压差代表不同的浓度，以无甲烷时的A、B两个测量元件的电压差值为参考，根据A、B两个测量元件的电压差值得到甲烷浓度、实现甲烷的传感。一种微型甲烷传感器的甲烷检测方法，其步骤为：在加热元件上下两侧分别对称布置A、B两个结构相同的测量元件，在加热元件上施加交流电流，A、B两个测量元件的电压频率、相位、幅值之间都分别存在差值，以没有甲烷时的差值作为基准，分别利用所述A、B两个测量元件的电压的频率、相位、幅值各自的差值代表不同的甲烷浓度，从而实现甲烷传感。一种微型甲烷传感器的甲烷检测方法，其步骤为：在加热元件附近设置单个的测量元件，当在加热元件快速短时施加大小相同、方向相反、作用时间与间隔时间均相同的电流时，所述单个测量元件两端对应的电压不同，不同的电压差代表不同的浓度，利用电压差作为敏感信号实现甲烷传感；即以没有甲烷时所述测量元件的电压差作为基准，根据测量元件的电压差得到甲烷浓度。有益效果：1、不使用催化剂与催化载体，由于没使用催化剂与催化载体，传感器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；2、加热元件与测量元件相互独立，无直接的电连接，只有一个加热元件需要加热到高温；测量元件无需外加电流或电压即可产生并输出电压工作，降低了传感器的功耗。优点：本专利技术提供的基于单个加热元件的微型甲烷传感器，无需采用催化剂即可实现低甲烷的检测，本专利技术以硅为加热材料和传感材料，可使甲烷传感器具有性能稳定、长期稳定性好的优点，并且具有抗中毒、积碳、激活等缺点；本专利技术的甲烷传感器的功耗主要由采用的单个加热元件的功耗决定，测量元件不消耗功耗，降低了传感器的总体功耗。本专利技术的甲烷传感器的测量元件无需外加电激励而直接产生电压信号，更好的反应了甲烷信息，本专利技术的甲烷传感器当对加热元件施加交流加热信号时，能得到基于频率、相位、幅度的甲烷敏感信号，提供了丰富的传感信号，并且将能提高传感信号的抗干扰性能。本专利技术的甲烷传感器的一个加热元件与测量元件相互独立，测量元本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微型甲烷传感器，其特征在于：它包括支座(100)、加热元件(101)以及一个或多个相互独立的测量元件(102)；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)；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；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；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；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。...

【技术特征摘要】
1.一种微型甲烷传感器，其特征在于：它包括支座(100)、加热元件(101)以及一个或多个相互独立的测量元件(102)；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)；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；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；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；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。2.根据权利要求1所述的微型甲烷传感器，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的微型甲烷传感器，其特征在于：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(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(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)...

【专利技术属性】
技术研发人员：马洪宇，孔祥林，陈鹏，杜亚娜，丁恩杰，赵小虎，王刚，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32