[發明專利]一種基于電容式電橋結構的超聲陣列氣體傳感器

有效

• 申請號: 201711318381.8
• 申請日: 2017-12-12
• 公開（公告）號: CN108037183B
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發明（設計）人: 吳麗翔;卓文軍;王高峰
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G01N29/036
• 分類號: G01N29/036;G01N29/22
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 朱月芬

1.一種基于電容式電橋結構的超聲陣列氣體傳感器，包括可變電阻R、第一電阻R1、第二電阻R2、可變電容C1、參考電容C2，其特征在于：

所述的可變電阻R的一端與可變電容C1的一端連接后接電源VCC，可變電阻R的另一端與第一電阻R1的一端連接后作為輸出電壓Vout的正極，可變電容C1的另一端、參考電容C2的一端和第二電阻R2的一端連接后作為輸出電壓Vout的負極，第一電阻R1的另一端、第二電阻R2的另一端和參考電容C2的另一端連接后接地；

所述的可變電容C1和參考電容C2結構相同，均采用超聲陣列電容，主體結構從下往上依次包括：基底(1)、下SiO₂薄膜層(2)、下電極層(3)、上SiO₂薄膜層(4)、犧牲層(5)、下振膜層(6)、上振膜層(7)、上電極層(8)、絕緣鈍化層(9)、接線層(10)、氣體吸附層(11)；所述的可變電容C1和參考電容C2的各薄膜層的厚度為100～2000nm；其中：

基底(1)的作用是支撐固定，其材料為硅片；

下SiO₂薄膜層(2)為下電極的支撐層，并起絕緣保護作用；

下電極層(3)為陣列結構，包括一組呈陣列布置的圓形下電極膜片(3-1)，對角位置的圓形下電極膜片(3-1)通過條形下電極膜片(3-2)連通，邊沿的一個圓形下電極膜片(3-1)引出下電極(3-3)；所有的圓形下電極膜片(3-1)和條形下電極膜片(3-2)，以及下電極(3-3)的材料相同，構成下電極層(3)，下電極層(3)的材料為鋁或多晶硅；

所述的圓形下電極膜片(3-1)的直徑25um～40um，相鄰兩圓形下電極膜片(3-1)的圓心距為45um～65um；

上SiO₂薄膜層(4)用于隔離保護下電極層(3)的陣列結構；

犧牲層(5)用來形成空腔，為振膜層的振動提供空間，包括一組呈陣列布置的圓形腐蝕膜片(5-1)和一組呈陣列布置的過渡腐蝕膜片(5-2)，所有圓形腐蝕膜片(5-1)與圓形下電極膜片(3-1)位置對應，所有的過渡腐蝕膜片(5-2)與兩條條形下電極膜片(3-2)的相交處位置對應；對角位置的圓形腐蝕膜片(5-1)通過條形腐蝕膜片(5-3)和過渡腐蝕膜片(5-2)連通；所有的圓形腐蝕膜片(5-1)、過渡腐蝕膜片(5-2)和條形腐蝕膜片(5-3)材料相同，構成犧牲層(5)，犧牲層(5)的材料為Al或Cr；

所述的圓形腐蝕膜片(5-1)的面積小于圓形下電極膜片(3-1)，圓形腐蝕膜片(5-1)的直徑為22.5um～37.5um；

下振膜層(6)為上電極層(8)的支撐層，其振動時帶動上電極層(8)一起振動，并作為犧牲層(5)釋放時的通道，使腐蝕液能夠進入；下振膜層(6)覆蓋于整個表面，開設有一組呈陣列布置的腐蝕通道(6-1)，每個腐蝕通道(6-1)開設在過渡腐蝕膜片(5-2)處，腐蝕通道(6-1)從下振膜層(6)上表面貫通至過渡腐蝕膜片(5-2)的上表面；

上振膜層(7)用于掩蓋下振膜層(6)的腐蝕通道(6-1)，上振膜層(7)的材料為SiO₂；

上電極層(8)為陣列結構，包括一組呈陣列布置的圓形上電極膜片(8-1)，所有的圓形上電極膜片(8-1)與圓形下電極膜片(3-1)位置對應，兩者共同組成一個可振動電容結構；相鄰位置的圓形上電極膜片(8-1)通過條形上電極膜片(8-2)連通，邊沿的一個圓形上電極膜片(8-1)引出上電極(8-3)；所有的圓形上電極膜片(8-1)和條形上電極膜片(8-2)，以及上電極(8-3)的材料相同，構成上電極層(8)，上電極層(8)的材料為鋁或多晶硅；

所述的圓形上電極膜片(8-1)的面積小于圓形下電極膜片(3-1)和圓形腐蝕膜片(5-1)，圓形上電極膜片(8-1)的直徑為20um～35um；

絕緣鈍化層(9)用于保護上電極層，免受外界環境干擾，并起絕緣作用，材料為氮化硅或氧化鋁；

接線層(10)作為氣體傳感器和外部集成電路連接接口，包括分別附著在圓形下電極膜片(3-3)和圓形上電極膜片(8-3)上的下電極膜片(9-1)和上電極膜片(9-2)；下電極膜片(9-1)和上電極膜片(9-2)的直徑大于圓形下電極膜片(3-3)和圓形上電極膜片(8-3)，且分別與圓形下電極膜片(3-3)和圓形上電極膜片(8-3)導通；

氣體吸附層(11)用于吸附待檢測氣體，吸附后質量會有所改變；

所述的可變電容C1的表面能夠吸附氣體，吸附氣體后電容會發生變化；當可變電容C1的超聲陣列電容的振膜表面吸附氣體時，會使得振膜的特征頻率偏移，工作信號頻率與振膜特征頻率不相同時將使得其振動幅度快速降低，電容的容值隨之發生變化，并且容值與吸附氣體的質量成一一對應關系，通過計算得到具體吸附的氣體質量；

所述的參考電容C2的表面不吸附氣體，只作為參照組。