CN102221568B - 一种双端固支梁室温瓦斯传感器 - Google Patents
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Abstract
一种双端固支梁室温瓦斯传感器，硅衬底上设有以介质层为结构层的双端固支梁，双端固支梁两侧根部的介质层上对称设有下电极，下电极上设有压电层，设有隔离介质层覆盖介质层、压电层和下电极，在位于压电层之上的隔离介质层上设有上电极；左右两侧的下电极、压电层、隔离介质层和上电极分别组成左、右压电单元，左、右压电单元之间的隔离介质层上设有超分子化合物薄膜作为瓦斯敏感层，双端固支梁之外的硅衬底之上的介质层上设有露出的分别与上、下电极相连的上、下电极引线。采用压电驱动双端固支梁谐振及压电拾振方式检测，实现瓦斯浓度的检测。该传感器具有性能稳定、寿命长、功耗低，体积小、分辨率高等优点，输出为准数字式的频率信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器，尤其是一种用于地面环境及煤矿井下检测瓦斯（甲烷）浓度的双端固支梁室温瓦斯传感器。
背景技术
目前检测瓦斯浓度的传感器大多采用催化燃烧式可燃气体瓦斯传感器，也有用光学气体瓦斯传感器。这两种传感器虽然都能起到感知信息的作用，但是催化燃烧式可燃气体瓦斯传感器存在工作温度高、寿命与检校周期短、稳定性差的问题，在高浓度冲击下易中毒，不能主动区分不同的可燃性气体。而光学气体传感器的成本较高，功耗较大。
发明内容
技术问题：本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提供一种结构简单、稳定性强、使用寿命长、安全可靠、成本低的双端固支梁室温瓦斯传感器。
技术方案：本发明的双端固支梁室温瓦斯传感器，该传感器以左右对称设置的硅衬底为基底，硅衬底上设有介质层，介质层上部的中心线左右两侧对称的设有下电极，两侧对称设置的下电极上分别设有压电层，介质层、压电层和下电极上覆盖有隔离介质层，左右两侧的压电层的隔离介质层上分别设有上电极；左右两侧设置的下电极、压电层、隔离介质层和上电极分别组成左压电单元和右压电单元，左压电单元和右压电单元之间设有位于隔离介质层之上、组成双端固支梁结构的瓦斯敏感层，左右对称设置的硅衬底上分别设有与下电极相连的下电极引线和与上电极相连的上电极引线。
所述的瓦斯敏感层为穴番-A或穴番-E超分子化合物；所述的介质层为氧化硅或氮化硅或氧化硅与氮化硅复合层；隔离介质层为氧化硅层。
有益效果：采用对甲烷具有识别功能的超分子化合物作为敏感层，甲烷浓度的变化使敏感层吸附及解吸附甲烷分子导致双端固支梁谐振频率改变。可针对甲烷在室温时实现高选择性的检测，当瓦斯（甲烷）浓度变化时，瓦斯敏感层吸附或解吸附的甲烷发生改变导致双端固支梁的谐振频率变化，用一个压电单元检测双端固支梁结构的谐振频率变化，实现瓦斯（甲烷）浓度信号的检测以及频率式输出；双端固支梁结构的驱动采用另一压电单元实现，两个压电单元分别设有上/下电极的电极引线。具有免受毒化、不会受瓦斯高浓度冲击的特点，其性能稳定、使用寿命长、功耗低，分辨率高，且输出为准数字式的频率信号，体积小、成本低，加工方法可与CMOS工艺兼容，通满足组建传感网、物联网的要求。
附图说明
图1为本发明的主视结构示意图。
图2为本发明的俯视结构示意图。
图中：硅衬底－101，压电层－104，瓦斯敏感层－105，双端固支梁结构－107，介质层－1021，隔离介质层－1022，上电极－1032；下电极－1031，左压电单元－1061，右压电单元－1062，下电极引线－10311，上电极引线－10322。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
本发明的双端固支梁瓦斯室温传感器，主要由硅衬底101、介质层1021、隔离介质层1022、压电层104、下电极金属1031、上电极金属1032与瓦斯敏感层105组成。介质层1021为氧化硅、氮化硅或氧化硅/氮化硅复合层；隔离介质层1022为氧化硅层。该传感器在硅衬底101上设有以介质层1021为结构层的双端固支梁107，双端固支梁两侧根部的介质层1021上对称设有下电极1031，下电极1031上设有压电层104，设有隔离介质层1022覆盖介质层1021、压电层104和下电极1031，在位于压电层104之上的隔离介质层1022上分别设有上电极1032；左右两侧的下电极1031、压电层104、隔离介质层1022和上电极1032分别组成左压电单元1061和右压电单元1062，左压电单元1061和右压电单元1062之间的隔离介质层1022上设有瓦斯敏感层105，在双端固支梁107之外的硅衬底101之上的介质层1021上设有露出的分别与下电极1031相连的下电极引线10311和与上电极1032相连的上电极引线10322。瓦斯敏感层105为穴番-A（cryptophane-A）或穴番-E （cryptophane-E）超分子化合物。具体如下：在硅衬底101上生成介质层1021，淀积光刻形成下电极1031、压电层104、隔离介质层1022、上电极1032；采用MEMS背面湿法腐蚀微加工技术去除硅，加工制作成薄膜结构，然后正面干法刻蚀制作成有压电激励及压电拾取的双端固支梁；固定瓦斯（甲烷）敏感层形成瓦斯敏感的双端固支梁107；使用一个压电单元实现双端固支梁结构107的激振，用另一个压电单元拾取检测双端固支梁结构的谐振频率变化，从而实现瓦斯（甲烷）浓度的检测及准数字式的频率输出。
Claims (1)
1.一种双端固支梁室温瓦斯传感器，该传感器以左右对称设置的硅衬底（101）为基底，其特征在于：硅衬底（101）上设有介质层（1021），介质层（1021）上部的中心线左右两侧对称的设有下电极（1031），两侧对称设置的下电极（1031）上分别设有压电层（104），介质层（1021）、压电层（104）和下电极（1031）上覆盖有隔离介质层（1022），所述的介质层（1021）为氧化硅或氮化硅或氧化硅及氮化硅复合层；隔离介质层（1022）为氧化硅层；左右两侧的压电层（104）的隔离介质层（1022）上分别设有上电极（1032）；左右两侧设置的下电极（1031）、压电层（104）、隔离介质层（1022）和上电极（1032）分别组成左压电单元（1061）和右压电单元（1062），左压电单元（1061）和右压电单元（1062）之间设有位于隔离介质层（1022）之上、组成双端固支梁结构（107）的瓦斯敏感层（105），所述的瓦斯敏感层（105）为穴番-A或穴番-E超分子化合物；左右对称设置的硅衬底（101）上分别设有与下电极（1031）相连的下电极引线（10311）和与上电极（1032）相连的上电极引线（10322）。
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