專利名稱：懸臂梁室溫瓦斯傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種傳感器，尤其是一種適用于地面環境及煤礦井下室溫檢測瓦斯濃度的懸臂梁瓦斯傳感器。
背景技術：
目前檢測瓦斯濃度的傳感器大多采用催化燃燒式可燃氣體瓦斯傳感器，也有用光學氣體瓦斯傳感器。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氣體瓦斯傳感器存在工作溫度高、壽命與檢校周期短、穩定性差的問題，在高濃度沖擊下易中毒，不能主動區分不同的可燃性氣體。而光學氣體傳感器的成本較高，功耗較大。
發明內容
技術問題本發明的目的是克服已有技術中存在的問題，提供一種結構簡單、使用壽命長、工作性能穩定、安全可靠、成本低、功耗小、室溫檢測的懸臂梁微瓦斯傳感器。技術方案本發明的懸臂梁室溫瓦斯傳感器以硅襯底為基底，在硅襯底上設有由 N阱、二氧化硅層、鈍化層、瓦斯敏感層構成瓦斯敏感的微懸臂梁，其中在硅襯底上表面內側設有N阱，N阱上表面內側設有P+電阻和N+電阻，設有二氧化硅層覆蓋硅襯底和N阱，二氧化硅層上設有穿過二氧化硅層分別與P+電阻和N+電阻接觸的金屬層，設有鈍化層覆蓋金屬層和二氧化硅層，微懸臂梁的鈍化層上設有瓦斯敏感層，微懸臂梁之外的二氧化硅層上設有多個露出的電極引線；所述的P+電阻包括作為惠斯通電橋橋臂電阻的第一電阻、第二電阻、第三電阻和第四電阻，第一電阻、第三電阻位于懸臂梁內。所述的瓦斯敏感層為穴番-A或穴番-E超分子化合物；所述的鈍化層為二氧化硅層或磷硅玻璃層或淀積氮化硅層或磷硅玻璃、二氧化硅、氮化硅的復合層。有益效果本發明使用超分子化合物作為瓦斯(甲烷)敏感膜，當瓦斯(甲烷)濃度變化時，通過敏感層吸附或解吸附的甲烷導致懸臂梁根部的應力水平改變，用惠斯通橋式電路可實現瓦斯(甲烷)濃度的室溫檢測，與已有技術相比，避免了已有技術中瓦斯(甲烷) 傳感器的諸多缺點。本發明的傳感器對甲烷具有識別功能、溫度補償功能，具有免受毒化、 不會受瓦斯高濃度沖擊的特點，具有性能穩定、使用壽命長、功耗低，分辨率高等優點，所采用的MEMS結構可使傳感器的體積小、成本低，易于加工，并可與CMOS工藝兼容；能滿足組建傳感網、物聯網的要求。
圖1為本發明的主視結構示意圖。圖2為本發明的俯視結構示意圖。圖中硅襯底一 101，N阱一 102，P+電阻一 103，二氧化硅層一 104，鈍化層一 105， 瓦斯敏感層一 106，N+電阻一 107，微懸臂梁一 108，電極引線一 109，金屬層一 110，第一橋臂電阻1031，第二橋臂電阻一 1032。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的一個實施例作進一步的描述
本發明的懸臂梁室溫瓦斯傳感器主要由P型硅襯底101、N阱102、P+電阻103、二氧化硅層104、鈍化層105、瓦斯甲烷敏感層106、N+電阻107和金屬層110構成。其中鈍化層105 為二氧化硅層或磷硅玻璃層或氮化硅層、或磷硅玻璃、二氧化硅、氮化硅的復合層。該傳感器以硅襯底101為基底，在硅襯底101上表面內側設置N阱102，N阱102上表面內側設有 P+電阻103和N+電阻107，在硅襯底101和N阱102上表面設有二氧化硅層104，二氧化硅層104上設有穿過二氧化硅層104分別與P+電阻103和N+電阻107相接觸的金屬層110， 金屬層110和二氧化硅層104上覆蓋有鈍化層105，微懸臂梁的鈍化層105上設有瓦斯敏感層106，瓦斯敏感層106為穴番-A (cryptophane-A)或穴番-E (cryptophane-E)超分子化合物；由N阱102、二氧化硅層104、鈍化層105、瓦斯敏感層106構成瓦斯敏感的微懸臂梁108，在微懸臂梁108之外的二氧化硅層104上連接有多個電極引線109 ；P+電阻103 包括作為惠斯通電橋橋臂電阻的第一電阻R1、第二電阻&、第三電阻R3和第四電阻R4;第一電阻R1、第三電阻R3位于懸臂梁108內，作為第一橋臂電阻1031 ；第二電阻&、第四電阻R4 作為第二橋臂電阻1032 ；金屬層110穿過二氧化硅層104分別實現與P+電阻103、N+電阻 107的電接觸，與P+電阻與N+電阻互聯的金屬層110分別與多個電極引線109相連接，電極引線109分別用于提供MEMS加工時的電連接、惠斯通橋式檢測電路工作時與外部電路的聯接。采用MEMS微加工技術在P型硅襯底101上加工微硅懸臂梁結構。具體為在P型硅襯底101形成二氧化硅層104、制作N阱102，在N阱102中制作N+電阻107和P+電阻 103，刻蝕氧化層開金屬接觸孔，蒸發或淀積金屬并刻蝕形成金屬層110的圖案，制作鈍化層105，刻蝕鈍化層露出電極引線109 ；采用P-N結自停止濕法腐蝕技術形成N阱薄膜，采用干法刻蝕釋放形成微硅懸臂梁；在微硅懸臂梁上固定瓦斯(甲烷)敏感層106形成對瓦斯 (甲烷)敏感的微懸臂梁108 ；第二電阻民、第四電阻R4與微懸臂梁108中的第一電阻R1、第三電阻R3作為惠斯通電橋的橋臂電阻，用以檢測因瓦斯(甲烷)濃度變化造成的懸臂梁應力變化，最終實現瓦斯(甲烷)濃度的測量及信號輸出。
權利要求
1.一種懸臂梁室溫瓦斯傳感器，其特征在于該傳感器以硅襯底(101)為基底，在硅襯底(101)上設有由N阱(102)、二氧化硅層(104)、鈍化層(105)、瓦斯敏感層(106)構成瓦斯敏感的微懸臂梁(108)，其中在硅襯底(101)上表面內側設有N阱(102)，N阱(102)上表面內側設有P+電阻(103)和N+電阻(107)，設有覆蓋硅襯底(101)和N阱(102)的二氧化硅層(104)，二氧化硅層(104)上設有穿過二氧化硅層(104)分別與P+電阻(103)和N+電阻(107)相接觸的金屬層(110)，金屬層(110)和二氧化硅層(104)上覆蓋有鈍化層(105)， 微懸臂梁(108)的鈍化層(105)上設有瓦斯敏感層(106)，微懸臂梁(108)之外的二氧化硅層(104)上設有多個露出的電極引線(109);所述的P+電阻(103)包括作為惠斯通電橋第一橋臂電阻(1031)的第一電阻(R1)與第三電阻(R3)和第二橋臂電阻(1032)的第二電阻( ) 與第四電阻(R4),第一橋臂電阻(1031)位于懸臂梁(108)內。
2.根據權利要求1所述的懸臂梁MEMS瓦斯傳感器，其特征在于所述的瓦斯敏感層 (106)為穴番-A或穴番-E超分子化合物。
3.根據權利要求1所述的懸臂梁MEMS瓦斯傳感器，其特征在于所述的鈍化層(105) 為二氧化硅層或磷硅玻璃層或氮化硅層或磷硅玻璃、二氧化硅、氮化硅的復合層。
全文摘要
一種懸臂梁室溫瓦斯傳感器，在硅襯底上設有由N阱、二氧化硅層、鈍化層、瓦斯敏感層構成的微懸臂梁，硅襯底上表面內側設有N阱，N阱上表面內側設有N+電阻和P+電阻，P+電阻構成惠斯通電橋的橋臂電阻，設有二氧化硅層覆蓋硅襯底和N阱，二氧化硅層上設有穿過二氧化硅層分別與P+電阻和N+電阻接觸的金屬層，設有覆蓋金屬層和二氧化硅層的鈍化層，微懸臂梁的鈍化層上設有瓦斯敏感層，微懸臂梁之外的二氧化硅層上設有多個露出的電極引線；敏感層吸附或解吸附甲烷導致懸臂梁根部應力改變，采用惠斯通電橋測量應力的變化實現瓦斯濃度的檢測。該傳感器具有性能穩定、壽命長、功耗低，體積小、分辨率高等優點并有溫度補償功能。
文檔編號G01N27/04GK102226776SQ20111007734
公開日2011年10月26日 申請日期2011年3月30日 優先權日2011年3月30日
發明者丁恩杰, 張衛東, 馬洪宇 申請人:中國礦業大學