[发明专利]一种电容式MEMS气体传感器

说明书

一种电容式MEMS传感器，尤其适用煤矿安全监测以及生产生活中对空气中甲烷气体的检测，也可运用于特殊环境中氦气、二氧化碳、氩气等气体的检测，其包括一个热执行器和两个梳齿电容，热执行器包括若干对硅梁、一个微梭和锚区；每组梳齿电容包括可动梳齿、一组折叠结构弹簧、固定梳齿、锚区。该传感器可检测甲烷气体的浓度，根据半导体材料在一定电流下的电阻随周围气体中甲烷含量的变化而变化的原理，用硅梁的热形变驱动梳齿电容的电容变化，依据电容变化测量空气中的甲烷浓度。优点：结构简单，适应性强，无中毒影响，使用电容式测量因此无磨损、无惰性，温度、精度稳定性好，抗电磁干扰能力强，动态响应速度快。

技术领域

一种电容式微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)气体传感器，尤其适用煤矿安全监测以及生产生活中对空气中甲烷气体的检测，也可运用于特殊环境中氦气、二氧化碳、氩气等气体的检测。

背景技术

我国是瓦斯事故最多的国家之一，瓦斯事故的发生，不仅使生命、财产遭受重大损失，而且影响煤炭生产正常进行。因此，防治瓦斯灾害，是煤矿安全生产十分迫切的任务。防治瓦斯灾害的过程中，用于瓦斯检测的甲烷传感器是必不可少的。随着国家对矿山安全的重视程度不断增加，对用于检测甲烷等气体的甲烷传感器的需求也日益增加。现较常见的甲烷传感器有催化燃烧式甲烷传感器、半导体式甲烷传感器、热导式甲烷传感器、红外线甲烷传感器等。催化燃烧式甲烷传感器有引燃爆炸的危险，并且传感器容易受有机蒸汽影响而中毒；半导体式甲烷传感器稳定性较差，对环境要求较高；热导式甲烷传感器可应用的范围很窄，限制因素较多。电容式传感器具有无摩擦、无磨损，温度稳定性好，动态响应速度快等优点，而目前我国目前尚无电容式甲烷传感器。

发明内容

本发明的目的是公开一种电容式MEMS甲烷传感器，该传感器使用差分电容式结构检测甲烷气体的浓度。

本发明所根据的原理是半导体材料在一定温度条件下电阻随着环境气体中甲烷含量的变化而变化，用掺杂后的单晶硅制成硅梁，多个硅梁并联，与微梭和锚区组成热执行器后，在硅梁之间施加电流激励，其发热形变程度跟本身电阻的改变有关，以硅梁的热形变驱动梳齿电容的电容值变化，因而用电容值的变化可指示气体的成分。

用多个硅梁串联，与微梭和锚区连接制成热执行器，热执行器两端连接两组梳齿电容。在硅梁两端施加电流激励，硅梁的电阻值改变，并且因为电热效应而伸长，伸长的硅梁引起微梭相对位置的改变，微梭驱动两组梳齿电容发生改变，使其中一组梳齿电容的可动梳齿和固定梳齿相互靠近，另一组可动梳齿和固定梳齿相互远离。相互位置改变后的两组梳齿电容间电容值也将发生变化，测量两组梳齿电容之间的电容变化值，与在空气中相同条件下的电容改变值相比对，可确定气体中的甲烷浓度。

为实现以上目的，本发明是由以下设计方案实现的：它包括一个热执行器、两个左右对称的梳齿电容；所述热执行器包括若干对称分布的硅梁、一个微梭、两个固定在衬底上的锚区III；所述硅梁沿微梭两两对称，每个硅梁两端分别固定在锚区III和微梭上，沿微梭对称的两个硅梁所呈角度在175度到179度之间；所述微梭与锚区III平行，是连接在两个梳齿电容可动端质量块上的悬空梁状结构；所述梳齿电容包括一个固定端和一个可动端；所述固定端包括多根固定梳齿和锚区I，其中锚区I将固定梳齿固定在衬底上；所述可动端包括多根可动梳齿、一个质量块、两个折叠结构弹簧和锚区II，其中锚区II一端直接连接衬底，一端连接质量块；其中可动梳齿与固定梳齿交错分布在锚区I和质量块之间，质量块可沿微梭方向平移；两个梳齿电容由热执行器的微梭进行驱动，驱动力来自组成热执行器的硅梁受热伸长。由微梭驱动的两组梳齿电容构成差分式结构，差分式结构的两组梳齿电容对称分布，在驱动时，一个梳齿电容的输出电容值增大，另一个梳齿电容的输出电容值减小。

优点：结构简单，适应性强，无中毒影响，使用电容式测量因此无磨损、无惰性，温度、精度稳定性好，抗电磁干扰能力强，动态响应速度快。

附图说明

图1为本发明实施例的平面结构图。