一種可回收重復制備的微瓦斯傳感器及其制備方法
【專利摘要】一種可回收重復制備的微瓦斯傳感器及其制備方法，屬于微瓦斯傳感器及其制備方法。該微瓦斯傳感器的硅加熱器中間有散熱-支撐硅塊；硅懸臂的一端與硅微加熱器一側相連，硅懸臂的另一端與硅支座上的固定端連接；固定端設在硅支座的埋層氧化硅上，固定端的硅層內設有摻雜硅層，金屬層通過氧化硅層的窗口與固定端的摻雜硅層相接觸構成歐姆接觸；硅加熱器完全嵌入在催化劑載體中，催化劑載體貫穿于硅加熱器的中間，催化劑載體自身形成一個整體結構；采用MEMS加工的用于煤礦井下檢測瓦斯?jié)舛鹊牡凸耐咚箓鞲衅?，制備工藝與CMOS工藝兼容，可批量生產；該瓦斯傳感器可以回收后重復制備催化劑載體及催化劑，硅微傳感器使用壽命長、性能穩(wěn)定、體積小、成本低。
【專利說明】—種可回收重復制備的微瓦斯傳感器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微瓦斯傳感器及其制備方法，特別是一種可回收重復制備的微瓦斯傳感器及其制備方法。
【背景技術】
[0002]目前基于傳統(tǒng)鉬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(lián)網對低功耗瓦斯傳感器的應用需求。而其它的瓦斯傳感器則無法適應煤礦井下高濕度的環(huán)境，尤其是井下便攜裝備的應用需求。
[0003]現(xiàn)有報道的微瓦斯傳感器，大多仍是采用金屬鉬作為加熱材料，加熱用的金屬鉬制作在硅支撐材料上，金屬鉬制作的加熱電阻同時也是測溫電阻，催化劑載體負載在支撐面上，由于制作的鉬電阻是薄層電阻、淀積鉬之前需要粘附性的材料，這些導致了鉬電阻的壽命較短，從而直接影響到了傳感器的壽命。傳統(tǒng)的催化燃燒式瓦斯傳感器，由于繞制使用的鉬絲直徑小、繞制后的鉬絲長度有限，即使在溶解掉催化劑載體后也無法重新繞制，因此無法進行重新制備，因此使用過后的傳感器只有被遺棄掉。

【發(fā)明內容】

[0004]技術問題:本發(fā)明的目的是提供一種可回收重復制備的微瓦斯傳感器及其制備方法，解決現(xiàn)有技術的熱催化燃燒式瓦斯傳感器等氣體傳感器無法通過重新制備催化劑載體與催化劑而延長傳感器加熱元件使用時間、降低生產與使用成本的問題。
[0005]技術方案:本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:該微瓦斯傳感器包括娃支座、固定端、對稱設置的硅懸臂、硅加熱器及催化劑載體；所述的硅加熱器較佳為圓環(huán)形，圓環(huán)形硅加熱器的中間較佳設有兩個對稱內伸的散熱-支撐娃塊；所述的娃支座包括娃襯底與設在娃襯底上的埋層氧化娃；所述的娃懸臂、娃加熱器均包括支撐娃層、設在支撐娃層外的氧化娃層；所述硅懸臂的一端與硅加熱器一側相連，另一端與硅支座上的固定端連接；所述固定端設在硅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、設在氧化硅層上的作為電引出焊盤Pad的金屬層，固定端的支撐硅層內設有摻雜硅層，所述電引出焊盤Pad的金屬層通過氧化硅層的窗口與固定端的摻雜硅層相接觸以形成歐姆接觸；所述硅加熱器完全嵌入在催化劑載體中，尤其催化劑載體貫穿于硅加熱器的中間，催化劑載體是一個完整的整體結構。
[0006]制備方法包括:首次制備方法與重復制備方法；
[0007]首次制備方法包括:分離硅器件制備方法、引線鍵合方法與催化劑載體包裹硅加熱器的方法；分離硅器件制備方法的具體步驟為:
[0008]第一步，在SOI硅片上制備氧化硅層；圖形化頂層硅即支撐硅層之上的氧化硅層；開窗后摻雜或離子注入；淀積金屬，圖形化金屬形成電引出焊盤Pad的金屬；
[0009]第二步，刻蝕SOI硅片頂層硅即支撐硅層，刻蝕停止于埋層氧化硅，形成固定端、硅懸臂與硅加熱器的圖形；[0010]第三步，濕法刻蝕或干法刻蝕SOI硅片底層硅，即硅襯底，刻蝕停止于埋層氧化娃,在SOI娃片背面形成娃杯結構；
[0011]第四步，濕法或干法刻蝕上一步形成硅杯后所暴露出的埋層氧化硅，釋放出硅懸臂與硅加熱器結構；
[0012]第五部，按照劃線槽劃片，得到微瓦斯傳感器的分離硅器件，劃片后僅保留與硅加熱器相連的固定端一側的娃支座材料；
[0013]所述的引線鍵合方法為:將所述的微瓦斯傳感器或其分離硅器件固定于支撐板上，固定時至少將硅加熱器及硅懸臂定位伸出支撐板外，支撐板上設有金屬電極；金屬引線連接支撐板上的金屬電極與所述微瓦斯傳感器或分離硅器件上的電引出焊盤Pad的金屬層；
[0014]所述的催化劑載體包裹硅加熱器的方法為:將微噴印設備的噴嘴對準硅加熱器，先單面對準并噴印或滴注液態(tài)或膠態(tài)催化劑載體，硅加熱器及其內伸的兩個散熱-支撐塊支撐負擔催化劑載體，且催化劑載體飽滿得貫穿于硅加熱器的圓環(huán)中；之后再對準翻轉過來的硅加熱器的另一面并噴印或滴注催化劑載體，使硅加熱器正反兩面上的催化劑載體形成一個整體并完整包裹硅加熱器，得到整體式包裹硅加熱器的催化劑載體的元件；干燥后根據(jù)需要在得到的催化劑載體上以噴印、滴注或浸潰的方式制作或不制作催化劑，然后干燥；
[0015]所述的重復制備方法:將回收的負載有催化劑載體的硅加熱器及部分硅懸臂浸入化學溶液中進行腐蝕，其余部分則保持在化學溶液的液面之上，待去除催化劑載體后，清洗并烘干；采用催化劑載體包裹硅加熱器的方法重新制備催化劑載體及催化劑；采用重復制備方法可進行多次重復制備。
[0016]有益效果，本發(fā)明提供了從MEMS器件結構、到其加工制備、器件定位、引線鍵合、催化劑載體制作與重新制備的微瓦斯傳感器的系統(tǒng)制備方法。本發(fā)明的可回收重復制備的微瓦斯傳感器，采用硅加熱器加熱催化劑載體，所述硅加熱器同時也是檢測溫度的元件，施加一定的電流或電壓到硅加熱器使催化劑達到所需的高溫工作狀態(tài)，當有瓦斯氣體與氧氣與工作狀態(tài)的傳感器接觸時，發(fā)生放熱反應，傳感器溫度升高，導致其電壓或電流發(fā)生變化，檢測該電壓或電流的變化，即可獲知瓦斯的濃度。本發(fā)明的瓦斯傳感器可構成惠斯通電橋檢測瓦斯?jié)舛?。采用本發(fā)明的方案，當微瓦斯傳感器的催化劑性能降低或劣化后，利用本發(fā)明的微加熱器結構及其在支撐板的引線定位，可以再制備催化劑載體與催化劑，重新獲得性能完好的瓦斯傳感器。
[0017]采用本發(fā)明的方案，有利于提高加熱器的電-發(fā)熱效率，其使用壽命長，該加熱器可重復使用；硅加熱器負載整體式的催化劑，即整體式的催化劑全面包裹加熱器，減少了加熱器的一個散熱路徑，從而高效地利用了加熱器的熱量，保證了低功耗的性能。所提供的微瓦斯傳感器，其制備方法可與CMOS工藝兼容，批量制作可降低成本、并提高一致性；傳感器的功耗低而靈敏度高，能夠滿足煤礦井下環(huán)境物聯(lián)網對瓦斯傳感器的需求；尤為突出的是能回收后重新制備催化劑載體及催化劑。
[0018]優(yōu)點:該微瓦斯傳感器降低了功耗并具有較高的靈敏度，能夠回收后重復制備催化劑載體及催化劑，相當于延長了傳感器的使用壽命，降低了生產及使用成本、減少電子器件遺棄所造成的污染。同時，本發(fā)明的微瓦斯傳感器還具有低功耗、微型化的優(yōu)點。【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的分立硅器件的俯視示意圖。
[0020]圖2為本發(fā)明的分立硅器件負載催化劑載體后的俯視示意圖。
[0021]圖3為本發(fā)明的分立硅器件負載催化劑載體后的主視示意圖。
[0022]圖4為本發(fā)明的微瓦斯傳感器或分立硅器件的固定端的剖視圖，即圖2中的A-A截面剖視圖。
[0023]圖5為本發(fā)明的分立硅器件負載催化劑載體后的剖視圖，即圖2中的B-B截面剖視圖。
[0024]圖6為本發(fā)明的劃片示意圖。
[0025]圖7為本發(fā)明微瓦斯傳感器或分立硅器件的引線鍵合示意圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖對本發(fā)明的一個實施例作進一步的描述:MEMS加工實際造成的硅懸臂、硅加熱器等構件的圖形可能會不同于本發(fā)明的描述，仍屬本發(fā)明所主張的權利要求范圍。
[0027]實施例1:在圖1、圖2和圖3中，該微瓦斯傳感器包括:硅支座101、固定端102、對稱設置的娃懸臂103、娃加熱器104及催化劑載體106 ;所述的娃加熱器104較佳為圓環(huán)形，圓環(huán)形娃加熱器104的中間較佳設兩個對稱內伸的散熱-支撐娃塊105 ;所述的娃支座101包括硅襯底11與設在硅襯底11上的埋層氧化硅12 ;所述的硅懸臂103、硅加熱器104均包括支撐娃層21、設在支撐娃層21外的氧化娃層23 ;所述娃懸臂103的一端與娃加熱器104 一側相連，另一端與硅支座101上的固定端102連接；所述固定端102設在硅支座101的埋層氧化硅12上，固定端102包括支撐硅層21、設在支撐硅層21外的氧化硅層23、設在氧化硅層23上的作為電引出焊盤Pad的金屬層22，固定端102的支撐硅層21內設有摻雜娃層24,所述電引出焊盤Pad的金屬層22通過氧化娃層23的窗口與固定端的摻雜娃層24相接觸以形成歐姆接觸，如圖4所示；所述硅加熱器104完全嵌入在催化劑載體106中，尤其催化劑載體106貫穿于硅加熱器104的中間，催化劑載體106是一個完整的整體結構，如圖5所示。
[0028]制備方法包括:首次制備方法與重復制備方法；
[0029]首次制備方法包括:分離硅器件110制備方法、引線鍵合方法與催化劑載體包裹硅加熱器的方法；所述的首次制備次序為先采用分離硅器件制備方法制備得到分立硅器件；之后再采用引線鍵合方法、催化劑載體包裹硅加熱器的方法，完成首次制備；
[0030]所述的分離硅器件110制備方法的具體步驟為:
[0031]第一步，在SOI硅片上制備氧化硅層23 ;圖形化頂層硅即支撐硅層21之上的氧化硅層23 ;開窗后摻雜或離子注入；淀積金屬，圖形化金屬形成電引出焊盤Pad的金屬22 ；
[0032]第二步，刻蝕SOI硅片頂層硅即支撐硅層21，刻蝕停止于埋層氧化硅12，形成固定端102、硅懸臂103與硅加熱器104的圖形；
[0033]第三步，濕法刻蝕或干法刻蝕SOI硅片底層硅，即硅襯底11，刻蝕停止于埋層氧化娃12,在SOI娃片背面形成娃杯結構；[0034]第四步，濕法或干法刻蝕上一步形成硅杯后所暴露出的埋層氧化硅12，釋放出硅懸臂103與硅加熱器104結構；
[0035]第五步，按照劃線槽601路徑劃片，如圖6所示；得到微瓦斯傳感器的分離硅器件110，劃片后僅保留與硅加熱器104相連的固定端102 —側的硅支座材料；
[0036]隨后采用下述的引線鍵合方法、催化劑載體包裹硅加熱器104的方法進行首次制備:
[0037]引線鍵合方法:制作引線，如圖7所示將所述的微瓦斯傳感器固定于支撐板107上，固定時至少將硅加熱器104及硅懸臂103定位伸出支撐板107外，支撐板107上設有金屬電極108 ;金屬引線109連接支撐板107上的金屬電極108與所述微瓦斯傳感器的分離娃器件110上的電引出焊盤Pad的金屬層22 ；
[0038]催化劑載體包裹硅加熱器104的方法為:將微噴印設備的噴嘴對準硅加熱器104，先單面對準并噴印或滴注液態(tài)或膠態(tài)催化劑載體，硅加熱器104及其內伸的兩個散熱-支撐塊105支撐負擔催化劑載體106，且催化劑載體飽滿得貫穿于硅加熱器104的圓環(huán)中；之后翻轉硅器件，對準翻轉過來的硅加熱器104的另一面噴印或滴注催化劑載體，得到整體式包裹硅加熱器的催化劑載體106的元件；干燥后根據(jù)需要在得到的催化劑載體106上以噴印、滴注或浸潰的方式制作或不制作催化劑，然后干燥；完成首次制備；
[0039]所述重復制備方法為:可回收重復制備的微瓦斯傳感器的回收后的重復制備方法，其方法為，將負載有催化劑載體的硅加熱器104及部分硅懸臂103浸入化學溶液中進行腐蝕，其余部分則保持在化學溶液的液面之上，待去除催化劑載體后，清洗并烘干；進行所述的催化劑載體包裹硅加熱器的方法制備催化劑載體及催化劑，完成重新制備；采用重復制備方法可進行多次重復制備。
[0040]實施例2:所述的引線鍵合方法:制作傳感器的引線，如圖7所示將所述分離硅器件110固定于支撐板107上，固定時至少將硅加熱器104及硅懸臂103定位伸出支撐板107夕卜，支撐板107上設有金屬電極108 ;金屬引線109連接支撐板107上的金屬電極108與所述微瓦斯傳感器的分離娃器件Iio上的電引出焊盤Pad的金屬層22。
[0041]首次制備次序為先采用分離硅器件制備方法制備得到分立硅器件110 ;之后再依次采用催化劑載體包裹硅加熱器的方法、引線鍵合方法完成首次制備。
[0042]其它與實施例1同。
【權利要求】
1.一種可回收重復制備的微瓦斯傳感器，其特征是:該微瓦斯傳感器包括硅支座(101)、固定端(102)、對稱設置的硅懸臂(103)、硅加熱器(104)及催化劑載體(106);所述娃加熱器(104)較佳為圓環(huán)形，圓環(huán)形娃加熱器(104)的中間較佳設有兩個對稱內伸的散熱-支撐娃塊(105);所述娃支座(101)包括娃襯底(11)與設在娃襯底(11)上的埋層氧化娃(12);所述硅懸臂(103)、硅加熱器(104)均包括支撐硅層(21)、設在支撐硅層(21)外的氧化娃層(23);所述娃懸臂(103)的一端與娃加熱器(104) —側相連,另一端與娃支座(101)上的固定端(102)連接；所述固定端(102)設在娃支座(101)的埋層氧化娃(12)上，固定端(102)包括支撐硅層(21)、設在支撐硅層(21)外的氧化硅層(23)、設在氧化硅層(23)上的作為電引出焊盤Pad的金屬層(22),固定端(102)的支撐娃層(21)內設有摻雜娃層(24),所述電引出焊盤Pad的金屬層(22)通過氧化硅層(23)的窗口與固定端的摻雜硅層(24)相接觸以形成歐姆接觸；所述硅加熱器(104)完全嵌入在催化劑載體(106)中，尤其催化劑載體(106)貫穿于硅加熱器(104)的中間，催化劑載體(106)是一個完整的整體結構。
2.—種權利要求1所述的可回收重復制備的微瓦斯傳感器的制備方法，其特征在于:包括首次制備方法與重復制備方法； 首次制備方法包括:分離硅器件(110)制備方法、引線鍵合方法與催化劑載體包裹硅加熱器的方法； 分離硅器件(110)制備方法的具體步驟為:第一步，在SOI硅片上制備氧化硅層(23);圖形化頂層硅即支撐硅層(21)之上的氧化硅層(23);開窗后摻雜或離子注入；淀積金屬，圖形化金屬形成電引出焊盤Pad的金屬(22)； 第二步，刻蝕SOI硅片頂層硅即支撐硅層(21 )，刻蝕停止于埋層氧化硅(12)，形成固定端(102)、硅懸臂(103)與硅加熱器(104)的圖形； 第三步，濕法刻蝕或干法刻蝕SOI硅片底層硅，即硅襯底(11)，刻蝕停止于埋層氧化硅(12)，在SOI硅片背面形成硅杯結構； 第四步，濕法或干法刻蝕上一步形成硅杯后所暴露出的埋層氧化硅(12)，釋放出硅懸臂(103)與硅加熱器(104)結構； 第五部，按照劃線槽(601)劃片，得到微瓦斯傳感器的分離硅器件(110)，劃片后僅保留與娃加熱器(104)相連的固定端(102) —側的娃支座材料； 所述的引線鍵合方法為:將所述的微瓦斯傳感器或其分離硅器件(110)固定于支撐板(107)上，固定時至少將硅加熱器(104)及硅懸臂(103)定位伸出支撐板(107)外，支撐板(107)上設有金屬電極(108);金屬引線(109)連接支撐板(107)上的金屬電極(108)與所述分離硅器件(110)上的電引出焊盤Pad的金屬層(22)； 所述的催化劑載體包裹硅加熱器的方法為:將微噴印設備的噴嘴對準硅加熱器(104)，先單面對準并噴印或滴注液態(tài)或膠態(tài)催化劑載體，硅加熱器(104)及其內伸的兩個散熱-支撐塊(105)支撐負擔催化劑載體(106)，且催化劑載體飽滿得貫穿于硅加熱器(104)的圓環(huán)中；之后再對準硅加熱器(104)的另一面并噴印或滴注催化劑載體，使硅加熱器正反兩面上的催化劑載體形成一個整體并完整包裹硅加熱器，得到整體式包裹硅加熱器(104)的催化劑載體(106)的元件；干燥后根據(jù)需要在得到的催化劑載體(106)上以噴印、滴注或浸潰的方式制作或不制作催化劑，然后干燥；首次制備次序為先采用分離硅器件制備方法制備得到分立硅器件(110);之后再先后采用引線鍵合方法、催化劑載體包裹硅加熱器的方法，或先采用催化劑載體包裹硅加熱器的方法再采用引線鍵合方法完成制備； 所述的重復制備方法:將回收的負載有催化劑載體的硅加熱器(104)及部分硅懸臂(103) 浸入化學溶液中進行腐蝕，其余部分則保持在化學溶液的液面之上，待去除催化劑載體(106)后，清洗并烘干；采用催化劑載體包裹硅加熱器的方法重新制備催化劑載體及催化劑；采用重復制備方法可進行多次重復制備。
【文檔編號】G01N27/16GK103472097SQ201310444528
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月26日 優(yōu)先權日:2013年9月26日
【發(fā)明者】馬洪宇, 王文娟, 丁恩杰, 趙小虎, 程婷婷 申請人:中國礦業(yè)大學