[發明專利]一種疊層結構的微瓦斯傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201310447005.4
• 申請日: 2013-09-26
• 公開（公告）號: CN103482562A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 馬洪宇;王文娟
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: B81B7/02
• 分類號: B81B7/02;B81C1/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

技術領域

本發明涉及一種基于微電子機械系統技術及封裝技術的疊層結構的微瓦斯傳感器及其制備方法，特別是一種疊層結構的微瓦斯傳感器及其制備方法。

背景技術

目前基于傳統鉑絲加熱的催化燃燒式瓦斯傳感器仍在煤礦井下廣泛應用，但其功耗較大，不能很好的滿足物聯網對低功耗瓦斯傳感器的應用需求。而其它的瓦斯傳感器亦無法適應煤礦井下高濕度的環境。現有報道的瓦斯傳感器，多采用金屬鉑電阻作為加熱元件，該鉑電阻同時也作為測溫元件。由于加熱元件、測溫元件是同一個鉑電阻，這使得對溫度測量的諸多先進技術受同時施加在鉑電阻上加熱電壓或電流的制約而無法應用，限制了瓦斯檢測技術的發展。

發明內容

本發明的目的是要提供一種基于微電子機械系統技術及封裝技術的疊層結構的微瓦斯傳感器及其制備方法，本發明的目的是提供一種微瓦斯傳感器及其制備方法，解決現有催化燃燒式瓦斯傳感器的鉑絲電阻元件復用所帶來的問題，即同一個鉑絲電阻同時作為加熱元件及測溫元件在控制溫度與測量溫度時無法分別調控的問題，同時還解決了進一步提升靈敏度的問題。

本發明的目的是基于MEMS技術及封裝技術實現的，詳述如下：該疊層結構的微瓦斯傳感器包括單片瓦斯微反應器及單片溫度檢測器；

所述單片瓦斯微反應器包括：硅框架支座、加熱元件、2個固定端、2個鍵合-固定端、多個電極引出端、多個鍵合支撐端、金屬凸點與催化劑載體；所述硅框架支座包括硅襯底與埋層氧化硅；所述固定端、鍵合-固定端、鍵合支撐端均相互獨立的設在硅框架支座的埋層氧化硅上；固定端包括支撐硅層、設在支撐硅層外的氧化硅層、設在氧化硅層上的金屬層，所述固定端的支撐硅層內設有摻雜硅層，金屬層通過氧化硅層的窗口與摻雜硅層相接觸形成歐姆接觸；鍵合-固定端、電極引出端與鍵合支撐端均包括支撐硅層、設在支撐硅層外的氧化硅層、設在氧化硅層上的金屬層；加熱元件包括支撐硅層、設在支撐硅層外的氧化硅層；電極引出端也設在硅框架支座的埋層氧化硅上；每個鍵合-固定端、固定端均與一個對應的電極引出端的一端相連，尤其是金屬層是相連的；電極引出端設有電引出焊盤Pad區域，電引出焊盤Pad區域較佳設在電極引出端的另一端，用引線連接外電路與電極引出端的電引出焊盤Pad區域；所述加熱元件設有硅加熱器、兩個對稱設置的硅懸臂，硅加熱器較佳為圓環形，圓環形硅加熱器中間較佳設有兩個對稱內伸的散熱-支撐硅塊；所述硅懸臂的一端與硅微加熱器相連，另一端與硅框架支座之上的固定端相連；所述加熱元件的硅加熱器上設有催化劑載體，加熱元件的硅加熱器完全嵌入在催化劑載體中，并且催化劑載體貫穿于硅加熱器中，尤其是催化劑載體是一個整體結構；在鍵合-固定端、鍵合支撐端的金屬層上設有金屬凸點；電極引出端與固定端較佳均設在硅框架支座的同一側，排列順序為一個電極引出端、一個固定端、另一個固定端、另一個電極引出端；

所述單片溫度檢測器包括硅框架支座、硅測溫單元、2個固定端、若干鍵合支撐端；所述硅測溫單元設有硅測溫器、兩個對稱設置的硅連接臂，2個對稱設置的硅支撐臂；所述硅測溫器、硅連接臂、硅支撐臂、固定端依次相連；所述硅測溫器較佳具有蜿蜒曲折形狀以具有較大的覆蓋硅加熱器的受熱面積；所述硅框架支座包括硅襯底與埋層氧化硅；所述鍵合支撐端、固定端均設在硅框架支座的埋層氧化硅上，所述鍵合支撐端、固定端均包括支撐硅層、設在支撐硅層外的氧化硅層、設在氧化硅層上的金屬層；固定端的支撐硅層設有摻雜硅層，金屬層通過氧化硅層的窗口與固定端的摻雜硅層相接觸形成歐姆接觸；硅測溫單元包括支撐硅層、設在支撐硅層上的氧化硅層，硅測溫單元通過固定端固定在硅框架支座上的埋層氧化硅上；

單片溫度檢測器的2個固定端與分別與單片瓦斯微反應器的2個鍵合-固定端在距離、位置上相對應，單片溫度檢測器的鍵合支撐端與單片瓦斯微反應器對應的鍵合支撐端在位置上相對應，單片瓦斯微反應器與單片溫度檢測器通過金屬凸點緊密連接；單片溫度檢測器的硅測溫單元位于單片瓦斯微反應器的有催化劑載體的加熱元件正上方；單片瓦斯微反應器的位于外側的一個電極引出端、一個鍵合-固定端及其上的金屬凸點、單片溫度檢測器的一個固定端、硅測溫單元、單片溫度檢測器的另一個固定端、單片瓦斯微反應器的另一個鍵合-固定端及其上的金屬凸臺與單片瓦斯微反應器的另一個位于外側的電極引出端形成一個二端測溫器件通路；單片溫度檢測器的尺寸小于單片瓦斯微反應器的尺寸使單片瓦斯微反應器的電極引出端的電引出焊盤Pad區域不被單片溫度檢測器覆蓋，并能進行引線鍵合；

所述的單片瓦斯微反應器、單片溫度檢測器均采用SOI硅片加工；