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专利号: 2018110848142
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:

1.一种微型甲烷传感器的甲烷检测方法,使用的微型甲烷传感器包括支座(100)、加热元件(101)以及一个或多个相互独立的测量元件(102);

所述支座(100)包括衬底(11)与设在衬底(11)上的隔离氧化硅层(12),隔离氧化硅层(12)上方设有单晶硅层(13);

所述加热元件(101)和每个测量元件(102)均包括并排设置在支座(100)上的U形悬臂和两个固定端(1001);所述加热元件(101)的固定端(1001)与测量元件(102)的固定端(1001)相互独立的设在支座(100)上,互不接触;所述加热元件(101)及测量元件(102)均通过各自的两个固定端(1001)设在支座(100)上,加热元件(101)的U形悬臂Ⅰ(1012)和测量元件(102)的U形悬臂Ⅱ(1022)的两端分别与两个固定端(1001)形成二端子器件,加热元件(101)的U形悬臂Ⅰ(1012)和测量元件(102)的U形悬臂Ⅱ(1022)悬置在空气中;所述固定端(1001)的单晶硅层(13)由支座(100)上的单晶硅层(13)加工而成,并与固定端之外支座(100)上其余部分的单晶硅层(13)不相连接,固定端(1001)的单晶硅层(13)中间设有掺杂硅层(24),固定端(1001)的单晶硅层(13)上可设有氧化硅层(23),电引出焊盘金属(22)通过氧化硅层(23)的窗口与固定端(1001)的掺杂硅层(24)相接触构成欧姆接触;

所述加热元件(101)的U形悬臂Ⅰ(1012)为单晶硅层(13)构成,由支座(100)上的单晶硅层(13)加工而成并与加热元件(101)的两个固定端(1001)的单晶硅层(13)连接,所述焊盘金属(22)从固定端(1001)引出直至U形悬臂Ⅰ(1012)上;

所述加热元件(101)与测量元件(102)的硅结构以及各个测量元件(102)的硅结构之间均相互隔离,加热元件(101)、测量元件(102)的硅结构也都与隔离氧化硅层(12)上的其它的顶层单晶硅层(13)隔离不相连接;所述衬底(11)为硅或其它可采用MEMS工艺加工的材料;

所述加热元件(101)的U形悬臂Ⅰ(1012)的两条支撑臂上都设有由电引出焊盘金属(22)延伸出的金属层,两条支撑臂上的金属层延伸长度相同、且均不超过支撑臂长度的一半,加热元件(101)的U形悬臂Ⅰ(1012)的两支撑臂的宽度相同,其上由电引出焊盘金属(22)延伸出的金属层宽度相同且都窄于支撑臂的宽度;所述U形悬臂Ⅱ(1022)的两个并排支撑臂宽度相同;在所述U形悬臂Ⅱ(1022)的一条支撑臂上设有由电引出焊盘金属(22)延伸出的金属层,长度不超过所在支撑臂的长度,宽度窄于所在支撑臂的宽度;

所述固定端(1001)由顶层单晶硅层(13)加工形成;顶层单晶硅层(13)上根据需要设有氧化硅层(23),设有氧化硅层(23)时,在氧化硅层(23)上设有电引出焊盘金属(22),电引出焊盘金属(22),通过所述氧化硅层(23)的窗口与其下单晶硅层(13)接触,不设氧化硅层(23)时,在固定端(1001)上的单晶硅层(13)上直接设置电引出焊盘金属(22);电引出焊盘金属(22)的外形面积小于固定端(1001)外形面积;

所述测量元件(102)垂直设置在加热元件(101)两侧,测量元件(102)的U形悬臂Ⅱ(1022)放置于加热元件(101)两支撑臂的上下两侧,所述测量元件(102)的U形悬臂Ⅱ(1022)末端外侧与对应的加热元件(101)支撑臂外侧之间的距离为2um至10um,所述测量元件(102)的U形悬臂Ⅱ(1022)末端的中点与加热元件(101)的支撑臂上的金属层尽头相对齐;

其特征在于步骤为:

对加热元件(101)通以直流电流或施加直流电压,所施加的电流或电压较大且使加热元件(101)的U形悬臂Ⅰ(1012)末端加热到550℃以上的高温,测量元件(102)则不通电流亦不施加电压而直接测量其两端电压;

以测量元件(102)在无甲烷气体的正常环境中的两个固定端(1001)两端电压作为参考电压;当甲烷气体浓度改变时,测量元件(102)的两个固定端(1001)端电压发生改变;根据测量元件(102)的两个固定端(1001)的端电压实现甲烷浓度的检测。

2.一种微型甲烷传感器的甲烷检测方法,使用的微型甲烷传感器包括支座(100)、加热元件(101)以及一个或多个相互独立的测量元件(102);

所述支座(100)包括衬底(11)与设在衬底(11)上的隔离氧化硅层(12),隔离氧化硅层(12)上方设有单晶硅层(13);

所述加热元件(101)和每个测量元件(102)均包括并排设置在支座(100)上的U形悬臂和两个固定端(1001);所述加热元件(101)的固定端(1001)与测量元件(102)的固定端(1001)相互独立的设在支座(100)上,互不接触;所述加热元件(101)及测量元件(102)均通过各自的两个固定端(1001)设在支座(100)上,加热元件(101)的U形悬臂Ⅰ(1012)和测量元件(102)的U形悬臂Ⅱ(1022)的两端分别与两个固定端(1001)形成二端子器件,加热元件(101)的U形悬臂Ⅰ(1012)和测量元件(102)的U形悬臂Ⅱ(1022)悬置在空气中;所述固定端(1001)的单晶硅层(13)由支座(100)上的单晶硅层(13)加工而成,并与固定端之外支座(100)上其余部分的单晶硅层(13)不相连接,固定端(1001)的单晶硅层(13)中间设有掺杂硅层(24),固定端(1001)的单晶硅层(13)上可设有氧化硅层(23),电引出焊盘金属(22)通过氧化硅层(23)的窗口与固定端(1001)的掺杂硅层(24)相接触构成欧姆接触;

所述加热元件(101)的U形悬臂Ⅰ(1012)为单晶硅层(13)构成,由支座(100)上的单晶硅层(13)加工而成并与加热元件(101)的两个固定端(1001)的单晶硅层(13)连接,所述焊盘金属(22)从固定端(1001)引出直至U形悬臂Ⅰ(1012)上;

所述加热元件(101)与测量元件(102)的硅结构以及各个测量元件(102)的硅结构之间均相互隔离,加热元件(101)、测量元件(102)的硅结构也都与隔离氧化硅层(12)上的其它的顶层单晶硅层(13)隔离不相连接;所述衬底(11)为硅或其它可采用MEMS工艺加工的材料;

所述加热元件(101)的U形悬臂Ⅰ(1012)的两条支撑臂上都设有由电引出焊盘金属(22)延伸出的金属层,两条支撑臂上的金属层延伸长度相同、且均不超过支撑臂长度的一半,加热元件(101)的U形悬臂Ⅰ(1012)的两支撑臂的宽度相同,其上由电引出焊盘金属(22)延伸出的金属层宽度相同且都窄于支撑臂的宽度;所述U形悬臂Ⅱ(1022)的两个并排支撑臂宽度相同;在所述U形悬臂Ⅱ(1022)的一条支撑臂上设有由电引出焊盘金属(22)延伸出的金属层,长度不超过所在支撑臂的长度,宽度窄于所在支撑臂的宽度;

所述固定端(1001)由顶层单晶硅层(13)加工形成;顶层单晶硅层(13)上根据需要设有氧化硅层(23),设有氧化硅层(23)时,在氧化硅层(23)上设有电引出焊盘金属(22),电引出焊盘金属(22),通过所述氧化硅层(23)的窗口与其下单晶硅层(13)接触,不设氧化硅层(23)时,在固定端(1001)上的单晶硅层(13)上直接设置电引出焊盘金属(22);电引出焊盘金属(22)的外形面积小于固定端(1001)外形面积;

所述测量元件(102)垂直设置在加热元件(101)两侧,测量元件(102)的U形悬臂Ⅱ(1022)放置于加热元件(101)两支撑臂的上下两侧,所述测量元件(102)的U形悬臂Ⅱ(1022)末端外侧与对应的加热元件(101)支撑臂外侧之间的距离为2um至10um,所述测量元件(102)的U形悬臂Ⅱ(1022)末端的中点与加热元件(101)的支撑臂上的金属层尽头相对齐;

其特征在于:

加热元件(101)施加交流电流或电压,使加热元件(101)的U形悬臂Ⅰ(1012)末端加热到

550℃以上的高温,对测量元件(102)则不通电流也不施加电压而直接测量其两端电压信号;甲烷气体浓度改变时,所述测量元件(102)的两个固定端(1001)两端电压信号的频率、相位、幅度随之发生变化,通过检测测量元件(102)两个固定端(1001)的端电压信号的频率、相位、幅度的变化实现甲烷浓度的传感;即以没有甲烷时所述测量元件(102)的两个固定端(1001)的两端电压信号作为参考信号,根据测量元件(102)的两个固定端(1001)电压信号与所述参考信号的比较得到甲烷的浓度,即以测量元件(102)的两个固定端(1001)电压信号的频率差值、相位差值、幅度差值得到甲烷浓度。

3.一种微型甲烷传感器的甲烷检测方法,使用的微型甲烷传感器包括支座(100)、加热元件(101)以及一个或多个相互独立的测量元件(102);

所述支座(100)包括衬底(11)与设在衬底(11)上的隔离氧化硅层(12),隔离氧化硅层(12)上方设有单晶硅层(13);

所述加热元件(101)和每个测量元件(102)均包括并排设置在支座(100)上的U形悬臂和两个固定端(1001);所述加热元件(101)的固定端(1001)与测量元件(102)的固定端(1001)相互独立的设在支座(100)上,互不接触;所述加热元件(101)及测量元件(102)均通过各自的两个固定端(1001)设在支座(100)上,加热元件(101)的U形悬臂Ⅰ(1012)和测量元件(102)的U形悬臂Ⅱ(1022)的两端分别与两个固定端(1001)形成二端子器件,加热元件(101)的U形悬臂Ⅰ(1012)和测量元件(102)的U形悬臂Ⅱ(1022)悬置在空气中;所述固定端(1001)的单晶硅层(13)由支座(100)上的单晶硅层(13)加工而成,并与固定端之外支座(100)上其余部分的单晶硅层(13)不相连接,固定端(1001)的单晶硅层(13)中间设有掺杂硅层(24),固定端(1001)的单晶硅层(13)上可设有氧化硅层(23),电引出焊盘金属(22)通过氧化硅层(23)的窗口与固定端(1001)的掺杂硅层(24)相接触构成欧姆接触;

所述加热元件(101)的U形悬臂Ⅰ(1012)为单晶硅层(13)构成,由支座(100)上的单晶硅层(13)加工而成并与加热元件(101)的两个固定端(1001)的单晶硅层(13)连接,所述焊盘金属(22)从固定端(1001)引出直至U形悬臂Ⅰ(1012)上;

所述加热元件(101)与测量元件(102)的硅结构以及各个测量元件(102)的硅结构之间均相互隔离,加热元件(101)、测量元件(102)的硅结构也都与隔离氧化硅层(12)上的其它的顶层单晶硅层(13)隔离不相连接;所述衬底(11)为硅或其它可采用MEMS工艺加工的材料;

所述加热元件(101)的U形悬臂Ⅰ(1012)的两条支撑臂上都设有由电引出焊盘金属(22)延伸出的金属层,两条支撑臂上的金属层延伸长度相同、且均不超过支撑臂长度的一半,加热元件(101)的U形悬臂Ⅰ(1012)的两支撑臂的宽度相同,其上由电引出焊盘金属(22)延伸出的金属层宽度相同且都窄于支撑臂的宽度;所述U形悬臂Ⅱ(1022)的两个并排支撑臂宽度相同;在所述U形悬臂Ⅱ(1022)的一条支撑臂上设有由电引出焊盘金属(22)延伸出的金属层,长度不超过所在支撑臂的长度,宽度窄于所在支撑臂的宽度;

所述固定端(1001)由顶层单晶硅层(13)加工形成;顶层单晶硅层(13)上根据需要设有氧化硅层(23),设有氧化硅层(23)时,在氧化硅层(23)上设有电引出焊盘金属(22),电引出焊盘金属(22),通过所述氧化硅层(23)的窗口与其下单晶硅层(13)接触,不设氧化硅层(23)时,在固定端(1001)上的单晶硅层(13)上直接设置电引出焊盘金属(22);电引出焊盘金属(22)的外形面积小于固定端(1001)外形面积;

所述测量元件(102)垂直设置在加热元件(101)两侧,测量元件(102)的U形悬臂Ⅱ(1022)放置于加热元件(101)两支撑臂的上下两侧,所述测量元件(102)的U形悬臂Ⅱ(1022)末端外侧与对应的加热元件(101)支撑臂外侧之间的距离为2um至10um,所述测量元件(102)的U形悬臂Ⅱ(1022)末端的中点与加热元件(101)的支撑臂上的金属层尽头相对齐;

其特征在于:

在加热元件(101)上下两侧分别布置A、B两个测量元件(102),在加热元件(101)上施加直流电流,A、B两个测量元件(102)产生不同的电压,不同的电压差代表不同的浓度,以无甲烷时的A、B两个测量元件(102)的电压差值为参考,根据A、B两个测量元件(102)的电压差值得到甲烷浓度、实现甲烷的传感。

4.一种微型甲烷传感器的甲烷检测方法,使用的微型甲烷传感器包括支座(100)、加热元件(101)以及一个或多个相互独立的测量元件(102);

所述支座(100)包括衬底(11)与设在衬底(11)上的隔离氧化硅层(12),隔离氧化硅层(12)上方设有单晶硅层(13);

所述加热元件(101)和每个测量元件(102)均包括并排设置在支座(100)上的U形悬臂和两个固定端(1001);所述加热元件(101)的固定端(1001)与测量元件(102)的固定端(1001)相互独立的设在支座(100)上,互不接触;所述加热元件(101)及测量元件(102)均通过各自的两个固定端(1001)设在支座(100)上,加热元件(101)的U形悬臂Ⅰ(1012)和测量元件(102)的U形悬臂Ⅱ(1022)的两端分别与两个固定端(1001)形成二端子器件,加热元件(101)的U形悬臂Ⅰ(1012)和测量元件(102)的U形悬臂Ⅱ(1022)悬置在空气中;所述固定端(1001)的单晶硅层(13)由支座(100)上的单晶硅层(13)加工而成,并与固定端之外支座(100)上其余部分的单晶硅层(13)不相连接,固定端(1001)的单晶硅层(13)中间设有掺杂硅层(24),固定端(1001)的单晶硅层(13)上可设有氧化硅层(23),电引出焊盘金属(22)通过氧化硅层(23)的窗口与固定端(1001)的掺杂硅层(24)相接触构成欧姆接触;

所述加热元件(101)的U形悬臂Ⅰ(1012)为单晶硅层(13)构成,由支座(100)上的单晶硅层(13)加工而成并与加热元件(101)的两个固定端(1001)的单晶硅层(13)连接,所述焊盘金属(22)从固定端(1001)引出直至U形悬臂Ⅰ(1012)上;

所述加热元件(101)与测量元件(102)的硅结构以及各个测量元件(102)的硅结构之间均相互隔离,加热元件(101)、测量元件(102)的硅结构也都与隔离氧化硅层(12)上的其它的顶层单晶硅层(13)隔离不相连接;所述衬底(11)为硅或其它可采用MEMS工艺加工的材料;

所述加热元件(101)的U形悬臂Ⅰ(1012)的两条支撑臂上都设有由电引出焊盘金属(22)延伸出的金属层,两条支撑臂上的金属层延伸长度相同、且均不超过支撑臂长度的一半,加热元件(101)的U形悬臂Ⅰ(1012)的两支撑臂的宽度相同,其上由电引出焊盘金属(22)延伸出的金属层宽度相同且都窄于支撑臂的宽度;所述U形悬臂Ⅱ(1022)的两个并排支撑臂宽度相同;在所述U形悬臂Ⅱ(1022)的一条支撑臂上设有由电引出焊盘金属(22)延伸出的金属层,长度不超过所在支撑臂的长度,宽度窄于所在支撑臂的宽度;

所述固定端(1001)由顶层单晶硅层(13)加工形成;顶层单晶硅层(13)上根据需要设有氧化硅层(23),设有氧化硅层(23)时,在氧化硅层(23)上设有电引出焊盘金属(22),电引出焊盘金属(22),通过所述氧化硅层(23)的窗口与其下单晶硅层(13)接触,不设氧化硅层(23)时,在固定端(1001)上的单晶硅层(13)上直接设置电引出焊盘金属(22);电引出焊盘金属(22)的外形面积小于固定端(1001)外形面积;

所述测量元件(102)垂直设置在加热元件(101)两侧,测量元件(102)的U形悬臂Ⅱ(1022)放置于加热元件(101)两支撑臂的上下两侧,所述测量元件(102)的U形悬臂Ⅱ(1022)末端外侧与对应的加热元件(101)支撑臂外侧之间的距离为2um至10um,所述测量元件(102)的U形悬臂Ⅱ(1022)末端的中点与加热元件(101)的支撑臂上的金属层尽头相对齐;

其特征在于:

在加热元件(101)上下两侧分别布置A、B两个测量元件(102),在加热元件(101)上施加交流电流,A、B两个测量元件(102)的电压频率、相位、幅值之间都分别存在差值,以没有甲烷时的差值作为基准,分别利用所述A、B两个测量元件(102)的电压的频率、相位、幅值各自的差值代表不同的甲烷浓度,从而实现甲烷传感。

5.一种微型甲烷传感器的甲烷检测方法,使用的微型甲烷传感器包括支座(100)、加热元件(101)以及一个或多个相互独立的测量元件(102);

所述支座(100)包括衬底(11)与设在衬底(11)上的隔离氧化硅层(12),隔离氧化硅层(12)上方设有单晶硅层(13);

所述加热元件(101)和每个测量元件(102)均包括并排设置在支座(100)上的U形悬臂和两个固定端(1001);所述加热元件(101)的固定端(1001)与测量元件(102)的固定端(1001)相互独立的设在支座(100)上,互不接触;所述加热元件(101)及测量元件(102)均通过各自的两个固定端(1001)设在支座(100)上,加热元件(101)的U形悬臂Ⅰ(1012)和测量元件(102)的U形悬臂Ⅱ(1022)的两端分别与两个固定端(1001)形成二端子器件,加热元件(101)的U形悬臂Ⅰ(1012)和测量元件(102)的U形悬臂Ⅱ(1022)悬置在空气中;所述固定端(1001)的单晶硅层(13)由支座(100)上的单晶硅层(13)加工而成,并与固定端之外支座(100)上其余部分的单晶硅层(13)不相连接,固定端(1001)的单晶硅层(13)中间设有掺杂硅层(24),固定端(1001)的单晶硅层(13)上可设有氧化硅层(23),电引出焊盘金属(22)通过氧化硅层(23)的窗口与固定端(1001)的掺杂硅层(24)相接触构成欧姆接触;

所述加热元件(101)的U形悬臂Ⅰ(1012)为单晶硅层(13)构成,由支座(100)上的单晶硅层(13)加工而成并与加热元件(101)的两个固定端(1001)的单晶硅层(13)连接,所述焊盘金属(22)从固定端(1001)引出直至U形悬臂Ⅰ(1012)上;

所述加热元件(101)与测量元件(102)的硅结构以及各个测量元件(102)的硅结构之间均相互隔离,加热元件(101)、测量元件(102)的硅结构也都与隔离氧化硅层(12)上的其它的顶层单晶硅层(13)隔离不相连接;所述衬底(11)为硅或其它可采用MEMS工艺加工的材料;

所述加热元件(101)的U形悬臂Ⅰ(1012)的两条支撑臂上都设有由电引出焊盘金属(22)延伸出的金属层,两条支撑臂上的金属层延伸长度相同、且均不超过支撑臂长度的一半,加热元件(101)的U形悬臂Ⅰ(1012)的两支撑臂的宽度相同,其上由电引出焊盘金属(22)延伸出的金属层宽度相同且都窄于支撑臂的宽度;所述U形悬臂Ⅱ(1022)的两个并排支撑臂宽度相同;在所述U形悬臂Ⅱ(1022)的一条支撑臂上设有由电引出焊盘金属(22)延伸出的金属层,长度不超过所在支撑臂的长度,宽度窄于所在支撑臂的宽度;

所述固定端(1001)由顶层单晶硅层(13)加工形成;顶层单晶硅层(13)上根据需要设有氧化硅层(23),设有氧化硅层(23)时,在氧化硅层(23)上设有电引出焊盘金属(22),电引出焊盘金属(22),通过所述氧化硅层(23)的窗口与其下单晶硅层(13)接触,不设氧化硅层(23)时,在固定端(1001)上的单晶硅层(13)上直接设置电引出焊盘金属(22);电引出焊盘金属(22)的外形面积小于固定端(1001)外形面积;

所述测量元件(102)垂直设置在加热元件(101)两侧,测量元件(102)的U形悬臂Ⅱ(1022)放置于加热元件(101)两支撑臂的上下两侧,所述测量元件(102)的U形悬臂Ⅱ(1022)末端外侧与对应的加热元件(101)支撑臂外侧之间的距离为2um至10um,所述测量元件(102)的U形悬臂Ⅱ(1022)末端的中点与加热元件(101)的支撑臂上的金属层尽头相对齐;

其特征在于:

在加热元件(101)附近设置单个的测量元件(102),当在加热元件(101)快速短时施加大小相同、方向相反、作用时间与间隔时间均相同的电流时,所述单个测量元件(102)两端对应的电压不同,不同的电压差代表不同的浓度,利用电压差作为敏感信号实现甲烷传感;

即以没有甲烷时所述测量元件(102)的电压差作为基准,根据测量元件(102)的电压差得到甲烷浓度。