專利名稱：一種雙端固支梁室溫瓦斯傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器，尤其是一種用于地面環(huán)境及煤礦井下檢測瓦斯(甲烷)濃度的雙端固支梁室溫瓦斯傳感器。
背景技術(shù)：
目前檢測瓦斯?jié)舛鹊膫鞲衅鞔蠖嗖捎么呋紵娇扇細(xì)怏w瓦斯傳感器，也有用光學(xué)氣體瓦斯傳感器。這兩種傳感器雖然都能起到感知信息的作用，但是催化燃燒式可燃?xì)怏w瓦斯傳感器存在工作溫度高、壽命與檢校周期短、穩(wěn)定性差的問題，在高濃度沖擊下易中毒，不能主動區(qū)分不同的可燃性氣體。而光學(xué)氣體傳感器的成本較高，功耗較大。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是克服已有技術(shù)中的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性強(qiáng)、使用壽命長、安全可靠、成本低的雙端固支梁室溫瓦斯傳感器。技術(shù)方案本發(fā)明的雙端固支梁室溫瓦斯傳感器，該傳感器以左右對稱設(shè)置的硅襯底為基底，硅襯底上設(shè)有介質(zhì)層，介質(zhì)層上部的中心線左右兩側(cè)對稱的設(shè)有下電極，兩側(cè)對稱設(shè)置的下電極上分別設(shè)有壓電層，介質(zhì)層、壓電層和下電極上覆蓋有隔離介質(zhì)層，左右兩側(cè)的壓電層的隔離介質(zhì)層上分別設(shè)有上電極；左右兩側(cè)設(shè)置的下電極、壓電層、隔離介質(zhì)層和上電極分別組成左壓電單元和右壓電單元，左壓電單元和右壓電單元之間設(shè)有位于隔離介質(zhì)層之上、組成雙端固支梁結(jié)構(gòu)的瓦斯敏感層，左右對稱設(shè)置的硅襯底上分別設(shè)有與下電極相連的下電極引線和與上電極相連的上電極引線。所述的瓦斯敏感層為穴番-A或穴番-E超分子化合物；所述的介質(zhì)層為氧化硅或氮化硅或氧化硅與氮化硅復(fù)合層；隔離介質(zhì)層為氧化硅層。有益效果采用對甲烷具有識別功能的超分子化合物作為敏感層，甲烷濃度的變化使敏感層吸附及解吸附甲烷分子導(dǎo)致雙端固支梁諧振頻率改變?？舍槍淄樵谑覝貢r實(shí)現(xiàn)高選擇性的檢測，當(dāng)瓦斯(甲烷)濃度變化時，瓦斯敏感層吸附或解吸附的甲烷發(fā)生改變導(dǎo)致雙端固支梁的諧振頻率變化，用一個壓電單元檢測雙端固支梁結(jié)構(gòu)的諧振頻率變化， 實(shí)現(xiàn)瓦斯(甲烷)濃度信號的檢測以及頻率式輸出；雙端固支梁結(jié)構(gòu)的驅(qū)動采用另一壓電單元實(shí)現(xiàn)，兩個壓電單元分別設(shè)有上/下電極的電極引線。具有免受毒化、不會受瓦斯高濃度沖擊的特點(diǎn)，其性能穩(wěn)定、使用壽命長、功耗低，分辨率高，且輸出為準(zhǔn)數(shù)字式的頻率信號， 體積小、成本低，加工方法可與CMOS工藝兼容，通滿足組建傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的要求。


圖1為本發(fā)明的主視結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖中硅襯底一 101，壓電層一 104，瓦斯敏感層一 105，雙端固支梁結(jié)構(gòu)一 107，介質(zhì)層一 1021，隔離介質(zhì)層一 1022，上電極一 1032 ；下電極一 1031，左壓電單元一 1061，右壓電單元一 1062，下電極引線一 10311，上電極引線一 10322。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一個實(shí)施例作進(jìn)一步的描述
本發(fā)明的雙端固支梁瓦斯室溫傳感器，主要由硅襯底101、介質(zhì)層1021、隔離介質(zhì)層 1022、壓電層104、下電極金屬1031、上電極金屬1032與瓦斯敏感層105組成。介質(zhì)層1021 為氧化硅、氮化硅或氧化硅/氮化硅復(fù)合層；隔離介質(zhì)層1022為氧化硅層。該傳感器在硅襯底101上設(shè)有以介質(zhì)層1021為結(jié)構(gòu)層的雙端固支梁107，雙端固支梁兩側(cè)根部的介質(zhì)層 1021上對稱設(shè)有下電極1031，下電極1031上設(shè)有壓電層104，設(shè)有隔離介質(zhì)層1022覆蓋介質(zhì)層1021、壓電層104和下電極1031，在位于壓電層104之上的隔離介質(zhì)層1022上分別設(shè)有上電極1032 ；左右兩側(cè)的下電極1031、壓電層104、隔離介質(zhì)層1022和上電極1032分別組成左壓電單元1061和右壓電單元1062，左壓電單元1061和右壓電單元1062之間的隔離介質(zhì)層1022上設(shè)有瓦斯敏感層105，在雙端固支梁107之外的硅襯底101之上的介質(zhì)層 1021上設(shè)有露出的分別與下電極1031相連的下電極引線10311和與上電極1032相連的上電極引線10322。瓦斯敏感層105為穴番-A(cryptophane-A)或穴番-E (cryptophane-E) 超分子化合物。具體如下在硅襯底101上生成介質(zhì)層1021，淀積光刻形成下電極1031、 壓電層104、隔離介質(zhì)層1022、上電極1032 ；采用MEMS背面濕法腐蝕微加工技術(shù)去除硅，加工制作成薄膜結(jié)構(gòu)，然后正面干法刻蝕制作成有壓電激勵及壓電拾取的雙端固支梁；固定瓦斯(甲烷)敏感層形成瓦斯敏感的雙端固支梁107 ；使用一個壓電單元實(shí)現(xiàn)雙端固支梁結(jié)構(gòu)107的激振，用另一個壓電單元拾取檢測雙端固支梁結(jié)構(gòu)的諧振頻率變化，從而實(shí)現(xiàn)瓦斯(甲烷)濃度的檢測及準(zhǔn)數(shù)字式的頻率輸出。
權(quán)利要求
1.一種雙端固支梁室溫瓦斯傳感器，其特征在于該傳感器以左右對稱設(shè)置的硅襯底 (101)為基底，硅襯底(101)上設(shè)有介質(zhì)層(1021)，介質(zhì)層(1021)上部的中心線左右兩側(cè)對稱的設(shè)有下電極(1031)，兩側(cè)對稱設(shè)置的下電極(1031)上分別設(shè)有壓電層(104)，介質(zhì)層(1021 )、壓電層(104)和下電極(1031)上覆蓋有隔離介質(zhì)層(1022)，左右兩側(cè)的壓電層 (104)的隔離介質(zhì)層(1022)上分別設(shè)有上電極(1032)；左右兩側(cè)設(shè)置的下電極(1031 )、壓電層(104)、隔離介質(zhì)層(1022)和上電極(1032)分別組成左壓電單元(1061)和右壓電單元 (1062)，左壓電單元(1061)和右壓電單元(1062)之間設(shè)有位于隔離介質(zhì)層(1022)之上、組成雙端固支梁結(jié)構(gòu)(107)的瓦斯敏感層(105)，左右對稱設(shè)置的硅襯底(101)上分別設(shè)有與下電極(1031)相連的下電極引線(10311)和與上電極(1032)相連的上電極引線(10322)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙端固支梁瓦斯室溫傳感器，其特征在于所述的瓦斯敏感層(105)為穴番-A或穴番-E超分子化合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙端固支梁瓦斯室溫傳感器，其特征在于所述的介質(zhì)層 (1021)為氧化硅或氮化硅或氧化硅及氮化硅復(fù)合層；隔離介質(zhì)層(1022)為氧化硅層。
全文摘要
一種雙端固支梁室溫瓦斯傳感器，硅襯底上設(shè)有以介質(zhì)層為結(jié)構(gòu)層的雙端固支梁，雙端固支梁兩側(cè)根部的介質(zhì)層上對稱設(shè)有下電極，下電極上設(shè)有壓電層，設(shè)有隔離介質(zhì)層覆蓋介質(zhì)層、壓電層和下電極，在位于壓電層之上的隔離介質(zhì)層上設(shè)有上電極；左右兩側(cè)的下電極、壓電層、隔離介質(zhì)層和上電極分別組成左、右壓電單元，左、右壓電單元之間的隔離介質(zhì)層上設(shè)有超分子化合物薄膜作為瓦斯敏感層，雙端固支梁之外的硅襯底之上的介質(zhì)層上設(shè)有露出的分別與上、下電極相連的上、下電極引線。采用壓電驅(qū)動雙端固支梁諧振及壓電拾振方式檢測，實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊臋z測。該傳感器具有性能穩(wěn)定、壽命長、功耗低，體積小、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，輸出為準(zhǔn)數(shù)字式的頻率信號。
文檔編號G01N27/00GK102221568SQ201110077880
公開日2011年10月19日 申請日期2011年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月30日
發(fā)明者丁恩杰, 張衛(wèi)東, 馬洪宇 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)