悬臂梁式压电驱动及压电检测的瓦斯传感器

摘要

一种悬臂梁式压电驱动及压电检测的瓦斯传感器，硅衬底上设有以介质层作为结构层的悬臂梁，悬臂梁根部设有对称排列、结构相同的第一、第二压电单元，压电单元包括压电层、设在压电层上下的上电极和下电极，下电极设在介质层上，下电极是下电极金属层的一部分，设有隔离介质层覆盖介质层、压电层和下电极金属层，上电极设在压电层上部的隔离介质层上，悬臂梁的隔离介质层上设有超分子化合物薄膜作为瓦斯敏感层，悬臂梁之外的隔离介质层旁设有连接下电极的下电极引线和连接上电极的上电极引线。采用压电驱动悬臂梁谐振及压电拾振方式检测，实现瓦斯浓度的检测。该传感器具有免受毒化、不会受瓦斯高浓度冲击、性能稳定、使用寿命长、体积小等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种悬臂梁式传感器，尤其是一种适用于地面环境及煤矿井下检测瓦斯（甲烷）浓度的悬臂梁式压电驱动及压电检测的瓦斯传感器。

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存在的问题，提供一种结构简单、使用寿命长、工作性能稳定、安全可靠、成本低、功耗小、室温检测的悬臂梁式压电驱动及压电检测的瓦斯传感器

技术方案：本发明的悬臂梁式压电驱动及压电检测的瓦斯传感器，该传感器以硅衬底为基底，在硅衬底上设有以介质层作为结构层的悬臂梁结构，悬臂梁结构的根部并排设有第一压电单元和第二压电单元，压电单元包括压电层、设在压电层上下的上电极和下电极，下电极设在介质层上，介质层、压电层和下电极上覆盖有隔离介质层，上电极设在压电层上部的隔离介质层上，介质层悬臂梁一侧的隔离介质层上设有瓦斯敏感层，介质层悬臂梁后部的隔离介质层旁设有连接下电极的下电极引线和连接上电极的上电极引线。

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及氮化硅复合层；隔离介质层为氧化硅。

有益效果：本发明通过超分子化合物识别并捕获及释放瓦斯（甲烷）分子导致MEMS悬臂梁谐振频率变化，当瓦斯（甲烷）浓度变化时，敏感层吸附或解吸附的甲烷发生改变导致悬臂梁的谐振频率变化，采用一个压电单元实现悬臂梁的驱动，另一个压电单元检测悬臂梁的谐振频率变化，实现了瓦斯浓度信号的检测以及频率式输出；采用压电驱动MEMS悬臂梁谐振及压电拾振方式检测，使用超分子化合物作为瓦斯（甲烷）敏感膜，实现瓦斯（甲烷）浓度的检测。该传感器对甲烷具有识别功能，具有免受毒化、不会受瓦斯高浓度冲击的特点，具有性能稳定、使用寿命长、功耗低，分辨率高等优点，且输出为准数字式的频率信号，采用MEMS结构可使传感器的体积小、成本低，加工方法可与CMOS工艺兼容；可以满足组建传感网、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，悬臂梁结构-107，介质层-1021，隔离介质层-1022，下电极金属-1031，上电极金属-1032，第一压电单元-1061、第二压电单元-1062，上电极-1032，下电极-1031，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：

如图1所示，悬臂梁式压电驱动及压电检测的瓦斯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为氧化硅或氮化硅或氧化硅与氮化硅复合层，隔离介质层1022为氧化硅层。以硅衬底101为基底，在硅衬底101上设置以介质层1021作为结构层的悬臂梁结构107，悬臂梁结构107根部设有对称排列、结构相同的第一压电单元1061和第二压电单元1062；第一压电单元1061用于驱动悬臂梁，第二压电单元1062用于检测谐振频率变化；压电单元包括压电层104、设在压电层104上下的上电极1032和下电极1031。下电极1031设在介质层1021上，下电极1031是下电极金属层的一部分，设有隔离介质层1022覆盖介质层1021、压电层104和下电极金属层，上电极1032设在压电层104之上的隔离介质层1022上，悬臂梁的隔离介质层1022上设有瓦斯敏感层105，瓦斯敏感层105为穴番-A（cryptophane-A）或穴番-E （cryptophane-E）超分子化合物。悬臂梁之外的隔离介质层1022旁设有连接下电极1031的下电极引线10311和连接上电极1032的上电极引线10322。用一个压电单元进行驱动实现悬臂梁的振动，使用另一个压电单元拾取检测悬臂梁的谐振频率变化，从而实现瓦斯（甲烷）浓度的检测及准数字式的频率输出。