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专利号: 2016111906659
申请人: 中国矿业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种电容式MEMS气体传感器,其特征在于:该电容式MEMS气体传感器包括左右对称的两个梳齿电容(1)和设置在两个梳齿电容(1)之间的热执行器(2);

所述梳齿电容(1)包括固定端和可动端;所述固定端包括锚区Ⅰ(13)和多根固定梳齿(12),其中多根固定梳齿(12)与锚区Ⅰ(13)相连接;所述可动端包括多根可动梳齿(11)、质量块(16)、锚区Ⅱ(15);多根可动梳齿(11)与质量块(16)相连接,锚区Ⅱ(15)横向设置在质量块(16)两侧,锚区Ⅱ(15)与质量块(16)之间弹性连接;所述固定梳齿(12)和可动梳齿(11)交替平行分布在锚区Ⅰ(13)和质量块(16)之间;固定梳齿(12)、可动梳齿(11)、质量块(16)为悬空结构;

所述热执行器(2)包括多根硅梁(21)、微梭(23)和锚区Ⅲ(22);所述微梭(23)为横向设置的条状结构,左右两端分别连接两组梳齿电容(1)中的质量块(16);所述锚区Ⅲ(22)与微梭(23)平行设置;微梭(23)与锚区Ⅲ(22)之间平行设置有多根硅梁(21);硅梁(21)以微梭(23)为轴对称分布,微梭(23)和硅梁(21)为悬空结构;所述微梭上设置有金属层(4),锚区Ⅰ(13)、锚区Ⅱ(15)和锚区Ⅲ(22)包含金属层(4),锚区Ⅰ(13)和锚区Ⅱ(15)的金属层(4)为电容检测端,锚区Ⅲ(22)的金属层为热执行器(2)提供电源连接,锚区Ⅲ(22)的电源接通时,电流通过微梭(23)上的金属层(4)流过硅梁(21)。

2.根据权利要求1所述的电容式MEMS气体传感器,其特征在于:所述质量块(16)与所述锚区Ⅱ(15)之间通过折叠结构弹簧(14)相连接。

3.根据权利要求1所述的电容式MEMS气体传感器,其特征在于:所述锚区Ⅰ(13)、锚区Ⅱ(15)和锚区Ⅲ(22)包括金属层(4)、顶层硅和二氧化硅埋层构成的多层结构,其中所述顶层硅下方的二氧化硅埋层与硅衬底(3)直接相连。

4.根据权利要求1所述的电容式MEMS气体传感器,其特征在于:其中沿所述微梭(23)对称分布的两个硅梁(21)之间的夹角介于175-179度之间。

5.一种电容式MEMS气体传感器的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:第一步,在SOI硅片上用扩散或离子注入的方法进行掺杂,使SOI硅片的顶层硅形成N型硅或者P型硅;

第二步,在所述顶层硅上制备二氧化硅层;

第三步,刻蚀所述二氧化硅层的微梭区域,形成掺杂所需要的窗口;

第四步,使用扩散或离子注入的方法使微梭(23)区域导电类型与所述顶层硅相反;

第五步,去除顶层硅之上剩余的二氧化硅;

第六步,刻蚀顶层硅,使顶层硅图形化;

第七步,蒸发金属,形成锚区Ⅰ(13)、锚区Ⅱ(15)、锚区Ⅲ(22)以及微梭(23)上的金属层(4);

第八步,用光刻胶遮掩图形化的顶层硅部分,刻蚀SOI硅片中的二氧化硅埋层,刻蚀停止于硅衬底(3);去除光刻胶后,SOI硅片上除图形化区域之外的部分只剩下硅衬底(3);

第九步,在SOI硅片正面制备刻蚀保护层,保护层覆盖整个硅片的正面;

第十步,在SOI硅片背面进行光刻,形成可动梳齿(11)、固定梳齿(12)、折叠结构弹簧(14)、硅梁(21)、微梭(23)区域悬空部分的刻蚀窗口,刻蚀掉窗口部分的硅衬底(3),刻蚀停止于二氧化硅埋层;

第十一步,刻蚀从硅衬底(3)露出的二氧化硅埋层,释放可动梳齿(11)、固定梳齿(12)、折叠结构弹簧(14)、硅梁(21)及微梭(23);

第十二步,去除所述刻蚀保护层,对SOI硅片进行干燥。

6.根据权利要求5所述的电容式MEMS气体传感器的制备方法,其特征在于:采用湿法刻蚀或者DRIE深反应例子刻蚀所述硅衬底(3)。

7.一种根据权利要求1所述的电容式MEMS气体传感器的气体检测方法,其特征在于:包括以下步骤:(1)测量所述MEMS气体传感器静态时,两个梳齿电容的电容差值△C0(2)在常温下、空气中,标定所测试气体的浓度与电容变化值的对应表;

(3)给所述锚区Ⅲ(22)施加第一电流,测试所述热执行器未动作时的所述两个梳齿电容差值△C,该△C为补偿值;

(4)施加测量电流到锚区Ⅲ(22),测试所述两个梳齿电容差值△C1;

(5)所述电容差值△C1去除补偿值△C,对比所述对应表,得到所测量气体的浓度。

8.根据权利要求7所述的气体检测方法,其特征在于:所述第一电流小于0.5mA。

9.根据权利要求7所述的气体检测方法,其特征在于:所述测量电流介于5-10mA。

10.根据权利要求7所述的气体检测方法,其特征在于:所述气体包括甲烷或惰性气体。