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CN113532540B - 一种悬空电桥式mems传感结构 - Google Patents

一种悬空电桥式mems传感结构 Download PDF

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CN113532540B CN202110855711.7A CN202110855711A CN113532540B CN 113532540 B CN113532540 B CN 113532540B CN 202110855711 A CN202110855711 A CN 202110855711A CN 113532540 B CN113532540 B CN 113532540B
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Abstract

本发明涉及一种电桥式MEMS传感结构，属于MEMS检测技术领域，主要适用于气体传感器、压力传感器、麦克风传感器等。其包括两个悬空的传感器平台，分别为检测平台和对比平台，两个平台皆由支撑梁、传感平台、加热电极、敏感电极组成。传感平台通过支撑梁支撑在一个硅空腔体结构上，加热电极、敏感电极排布在传感平台上，并通过支撑梁与外界实现电学连接，对比平台上设置有可调电阻，调节两平台阻值相等。所公开的传感结构具有低串扰性、通用性强、稳定性高、功耗低等优点。

Description

一种悬空电桥式MEMS传感结构
技术领域
本发明是一种MEMS传感结构，涉及气体、压力等检测技术领域，具体是一种电桥式MEMS传感结构。
背景技术
随着社会经济的不断发展，MEMS传感器被运用到各个学科，其涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。例如室内装修产生的甲醛、香烟烟雾和塑料制品燃烧中的氰化氢、污水处理和沼气池换料产生的硫化氢、冬日燃煤产生的一氧化碳、汽车尾气中的二氧化氮和苯、金属冶炼工厂的氯气等有毒有害易燃易爆气体需要MEMS气体传感器来检测待测气体的浓度；像测量气囊压力、燃油压力、发动机机油压力、进气管道压力及轮胎压力等汽车电子领域则需要MEMS压力传感器来检测。由此可见MEMS传感器是众多领域炙手可热的研究方向。
电桥式MEMS传感结构可应用于气体传感器、压力传感器、麦克风传感器等。气体传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被工作人员、仪器仪表、计算机等利用信息的检测装置。主要有电化学式气体传感器、半导体气体传感器、催化燃烧型气体传感器、热导式气体传感器。压力传感器是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。特别是随着MEMS技术的发展，半导体压力传感器得到了广泛应用。
随着MEMS传感器的普遍应用，噪音干扰、增大检测灵敏度成为了本领域的技术难题。因此，需要对MEMS传感器的MEMS平台结构进行优化，使得MEMS传感器在保持良好的灵敏度、选择性和稳定性的前提下，能够实现低成本、低功率、低干扰和批量生产。例如专利CN205808982 U为了得到半导体气体传感器功耗降低的效果，提供了一种半导体气体传感器芯片，该芯片采用绝热性能较佳的材料作为基底，通过绝热层固定于基座上形成半导体气体传感器，虽得到了更小的封装尺寸和更低的功耗，但是制作工艺复杂，不利于广泛推广。例如专利CN 102359981 A和专利CN 110040678 A皆采用单一传感平台进行制备，结构虽易于集成化，但是存在温度等外界因素带来的噪声干扰，影响实验结果的准确性，降低了灵敏度。
通过对比MEMS气体传感器的结构设计，引入两篇参考文献。参考文献1：YingChen, Pengcheng Xu, Xinxin Li,Yuan Ren, Yonghui Deng, “High-performanceH2sensors with selectively hydrophobic micro-plateforself-aligneduploadof Pdnanodots modifiedmesoporous In2O3sensing-material”，Sensors and Actuators B:Chemical，Volume 267, 15 August 2018, Pages 83-92。公开了一种将传感材料精确上传到单一传感平台的微传感器特定区域的技术。参考文献2：郭联峰,许宗珂,段国韬,李铁,“基于微加热器平台的高性能甲烷传感”，郑州大学学报(工学版)，2016（37），40-42。采用单一传感平台设计制造了基于微型加热器平台(MHP)的甲烷气体传感器。以上两篇参考文献所述的单一传感平台存在以下缺点：当传感平台达到工作温度时，敏感材料与被测气体反应后会导致电阻发生变化，外界温度等环境因素产生的噪音会叠加到有用信号中，导致信噪比低，灵敏度差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电桥式MEMS传感结构，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：所述的电桥式MEMS传感结构包含两个悬空的传感器平台，分别为检测平台1和对比平台2，其中检测平台1上加工有两个测试电阻，分别为第一检测电阻3和第二检测电阻4。对比平台2上加工有两个对比电阻和两个可调电阻，分别为第一对比电阻5和第二对比电阻6、第一可调电阻16和第二可调电阻17。检测平台1上加工有加热电极18，对比平台2没有加热电极18。理想状态下，当加热电极18升温至工作温度时，检测平台1上的第一检测电阻3、第二检测电阻4和对比平台2上的第一对比电阻5、第二对比电阻6的阻值相等。若因为外界因素等误差导致不相等，则通过对比平台2上的第一可调电阻16和第二可调电阻17将两平台阻值调整至相等。当有气体与之反应时，第一检测电阻3和第二检测电阻4的阻值发生变化，第一对比电阻4和第二对比电阻5不变，通过测量第四Pad点10和第五Pad点11之间的电势差即可得到待测试气体的浓度信息。
所述的电桥式MEMS传感结构，分为两个传感平台，每个平台利用４根悬臂梁13支撑工作区，由于将传感平台与衬底20悬吊隔离，有源区不与基底直接接触，降低了因热传导损失的热量，极大降低了传感器功耗，提高响应速度。
所述的电桥式MEMS传感结构，支撑梁13的结构优选四种选择，分为两大类，即交叉法和平行法。即检测平台1和对比平台2都采用交叉支撑梁；检测平台1和对比平台2都采用平行支撑梁；检测平台1采用平行支撑梁，对比平台2采用交叉支撑梁；检测平台1采用交叉支撑梁，对比平台2采用平行支撑梁；。其中平行法支撑梁结构体积微小，更易于集成化。
所述的电桥式MEMS传感结构，用于气体传感时，传感平台上半导体气敏材料需要在一定温度下对待测气体有足够的吸附，气体分子可以充分在气敏材料表面(及晶界)扩散，引起材料的热电阻变化，从而测出待测气体的浓度。通过更换气敏材料而保持原有的硅传感平台，可以制备出种类不同的气体传感器。
所述的电桥式MEMS传感结构，区别于传统的单一传感平台，此结构采用双传感平台，将对照法的思想引入对比平台2，此平台较检测平台1没有加热电极18，当检测平台1达到工作温度时，对比平台2处于室温状态，此时第一可调电阻16和第二可调电阻17将调节两平台阻值相等，通过测两者之间的电势差可得到准确的待测信息，此结构可以消除温度等环境因素带来的噪音，提高信噪比。
所述的电桥式MEMS传感结构，当检测平台1升温之后，温度等外界环境因素可能会导致两平台电阻阻值不相等，可以通过调节第一可调电阻16和第二可调电阻17，保证两平台阻值相等。
所述的电桥式MEMS传感结构，采用双传感平台提高实验检测灵敏度，可以用于压力传感器、麦克风传感器等。
附图说明
为了更加清晰直观的理解本发明，特提供附图对本发明做进一步详细的说明。并且附图构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明的结构原理示意图。
图2为本发明的第2种支撑梁结构。
图3为本发明的第3种支撑梁结构。
图4为本发明的第4种支撑梁结构。
图5为两平台电极对比剖面图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供一种技术方案：所述的电桥式MEMS传感结构包含两个悬空的传感器平台，分别为检测平台1和对比平台2，每个平台利用４根悬臂梁13支撑工作区，将传感平台与衬底20悬吊隔离，有源区不与基底直接接触，其中检测平台1上加工有两个测试电阻，分别为第一检测电阻3和第二检测电阻4。检测电阻皆为叉齿电阻，由检测电阻引出布设在支撑梁上的金属导线14。对比平台上加工有两个对比电阻和两个可调电阻，分别为第一对比电阻5和第二对比电阻6、第一可调电阻16和第二可调电阻17。由对比电阻引出布设在支撑梁上的金属导线15。检测平台1上加工有加热电极18，对比平台2没有加热电极18，设计当加热电极18升温至工作温度时，第一检测电阻3、第二检测电阻4和第一对比电阻5、第二对比电阻6的阻值相等。若不等，如出现加工误差等，则由第一可调电阻16和第二可调电阻17进行调节，使得两平台阻值相等。若工作温度设定200℃，则200℃下的第一检测电阻3、第二检测电阻4和室温下第一对比电阻5、第二对比电阻6阻值相等。为防止短路设置第四Pad点10和第五Pad点11以使两线间隔开。当此结构应用到气体传感器时，即当有气体与之反应时，第一检测电阻3和第二检测电阻4的阻值发生变化，第一对比电阻5和第二对比电阻6不变，通过测量第四Pad点10和第五Pad点11之间的电势差即可得到待测试气体的浓度信息。
如图1-4所示，支撑梁有四种不同的结构：
图1:检测平台1和对比平台2都采用交叉支撑梁13；
图2:检测平台1和对比平台2都采用平行支撑梁13；
图3:检测平台1采用平行支撑梁13，对比平台2采用交叉支撑梁13；
图4:检测平台1采用交叉支撑梁13，对比平台2采用平行支撑梁13；
这四种结构皆可。
如图1-4所示，为了避免检测平台1升温之后两个平台电阻之间阻值误差太大，在第一对比电阻5和第二对比电阻6的下方设置了两个可调电阻，分别为第一可调电阻16和第二可调电阻17。此可调电阻可选择半导体领域常用的激光调阻。当检测平台1达到工作温度而对比平台2是室温时，理想状态是两平台阻值相等，此时的可调电阻为零，即为一条导线。但是升温之后若检测平台1上的第一检测电阻3、第二检测电阻4和对比平台2上的第一对比电阻5、第二对比电阻6阻值不相等时，则第一可调电阻16和第二可调电阻17可以对第一对比电阻5和第二对比电阻6的阻值进行调节，使得两平台四个电阻阻值分别相等，从而对误差进行了补偿。
如图5所示，检测平台1有加热电极18，而对比平台2没有加热电极18，两平台皆有敏感电极19。设计工作温度时检测平台1上的检测电阻与对比平台2室温下的对比电阻的阻值相等，避免在对比平台上的加热过程，从而降低功耗。
综上所述，本发明公布的基于电桥式MEMS传感结构通过设置两个传感平台进行数据对比从而消除外界环境带来的噪声影响。此MEMS传感检测结构的精准率和灵敏度得到提高。因此本电桥式MEMS传感结构实现了高灵敏度、高稳定性的实时检测。
以上所述，本发明示出和描述的实施例仅用于举例使用，本专利的保护范围并不局限于此。对于任何熟悉本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的构思和宗旨的情况下对这些实施例进行多种改进和变型，这些改进也应视为本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.基于电桥式MEMS传感结构，其特征在于：电桥式MEMS传感结构由两个悬空的传感平台组合而成，其分别为检测平台（1）和对比平台（2），各平台用四个支撑梁（13）在硅空腔（12）上方支撑起一个悬空结构传感平台，其中检测平台（1）上加工有两个检测电阻（3,4），对比平台上加工有两个对比电阻（5,6）和两个可调电阻（16,17），检测平台上加工有加热电极（18），对比平台没有加热电极（18），当加热电极（18）升温至工作温度时，若出现温度影响两平台阻值不相等，通过对比平台（2）上的可调电阻（16,17），在可调电阻（16,17）的补偿下，使得对比电阻（5,6）和检测电阻（3,4）的阻值相等，当传感平台发生反应时，第一检测电阻（3）和第二检测电阻（4）的阻值发生变化，第一对比电阻（5）和第二对比电阻（6）阻值不变，通过测量第四Pad点（10）和第五Pad点（11）之间的电势差即可得到待测物的信息。
2.根据权利要求1所述的基于电桥式MEMS传感结构，其特征在于：该结构采用双传感平台，检测平台（1）达到工作温度时两个电阻的阻值和对比平台（2）室温时两个电阻的阻值相等，待检测平台中的待测物引起阻值变化，通过测量两个平台之间的电势差即可得出待测物的信息。
3.根据权利要求1所述的基于电桥式MEMS传感结构，其特征在于：其支撑梁（13）悬空于基地之上，两个传感平台皆采用悬空结构。
4.根据权利要求1所述的基于电桥式MEMS传感结构，其特征在于：该结构在对比平台（2）上增加有可调电阻（16,17）。
5.根据权利要求1所述的基于电桥式MEMS传感结构，其特征在于：该结构检测平台（1）设置有加热电极（18），对比平台（2）没有加热电极（18）。
6.根据权利要求1所述的基于电桥式MEMS传感结构，其特征在于：该结构在工作温度时，检测平台上的第一检测电阻（3）、第二检测电阻（4）、对比平台上的第一对比电阻（5）和第一可调电阻（16）之和、第二对比电阻（6）和第二可调电阻（17）之和，以上四者阻值相等。
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