一种新型热导式氧气浓度测量方法

钱江蓉，陈　丛，许　磊，胡国俊

（中国电子科技集团公司第38研究所，合肥230088）



一种新型热导式氧气浓度测量方法

钱江蓉，陈丛，许磊，胡国俊

（中国电子科技集团公司第38研究所，合肥230088）

摘要：探讨了多种氧气浓度的测量方法，基于微米尺寸悬膜电阻和热传导原理设计了一种新型的热导式氧气浓度测量方法。使用精细微机械加工的悬膜电阻，使得关键元件功耗和成本大为降低。经过仿真模拟和初步实验验证，热导式微型氧气传感器可精确检测较高的氧气浓度。

关键词：氧气浓度；微电子机械系统；热导

1　引言

氧气传感器是一种较为常用的气体传感器，在汽车电子和精密监测等方面都有广泛的应用。市场上存在多种类型的氧气传感器，通常使用者需要针对应用需要来考虑不同传感器的优缺点，选择合适的传感器。例如在汽车电子中通常采用氧化锆式氧传感器以适应高温快速检测的需求，分析仪中通常采用激光氧气传感器达到高精度微量检测的目的。而当前在家庭用制氧机中有一种较特殊的氧气浓度测量需求，因为吸取适当高浓度的氧气能达到缓解疲劳、增强新陈代谢、改善人体健康等功能，所以为保证保健功能和效果，需要监控该设备中产出的氧气浓度。根据制氧机行业国家标准《YY0732-2009医用氧气浓缩器安全要求》[1]，在氧气浓度低于50％时，需要采用红灯报警，在氧气浓度高于82％时，系统绿灯点亮，标志系统正常工作，而氧气浓度在50％～82％之间时，系统亮黄灯。市场现有的氧气传感器，大部分都只适于低浓度氧气情况下工作，例如最常用的电化学检测方法，通常检测量程为0～20％氧气浓度，在高浓度时寿命大为缩短，不能应用于制氧机中。现在制氧机中较为可行的氧气浓度检测方法是超声波法，它利用超声波在氧气和氮气混合物中传播速度的特性进行检测，具有工作范围宽、无消耗等优点，但需要逐个校准，体积较大，其价格相对于一般制氧机的成本也较高，因此目前只有少量高端制氧机配备了超声波式氧传感器。市场对于体积小、功耗低、成本低的高浓度氧气传感器具有迫切需求。针对这一需求，本文提出了一种新型的基于MEMS（微机电系统）的氧气浓度测量方法。

2基于MEMS芯片的氧气检测

MEMS（微机电系统）融合微电子技术和机械工程，采用半导体加工技术，芯片尺寸通常在毫米或者微米级，具有体积小、重量轻、功耗低、性能稳定、价格低廉等优点，是当前交叉学科的重要研究领域。针对氧气浓度的测量，有学者利用二氧化钛（TiO2）薄膜在氧气含量不同时电阻的改变来检测氧气浓度[2，3]，但一般用于较低氧浓度，而且二氧化钛掺杂晶体的加工工艺和结构并不稳定，不适于批量生产。本研究采用热导式原理设计氧气传感器。因为制氧机中产生的气体成分简单，仅由氧气与氮气二元气体构成，因此可基于气体导热性能的不同，设计热导式氧气传感器[4]。研究采用悬膜式电阻进行加热和温度测量。悬膜式电阻可有效降低通过热传导引起的热量散失，保障各电阻之间的独立性。其工作原理如图1所示。待测气体进入气室，与加热到一定温度的悬膜热敏电阻接触。当待测气体的导热系数较高时，热量更容易从热敏元件上散发，使其电阻减少。测量电阻和参考电阻分别处于待测气体和参考气室（纯氮气或空气）中，引起的热散失不同，导致两个热电阻的阻值不同，使得惠斯通电桥失衡，输出电压的变化反映了被测气体导热系数的变化，从而计算出二元混合气中氧气的浓度。

图1　MEMS流量和氧气浓度检测原理

为保证准确度，芯片上同时设计相对独立的铂电阻以检测环境温度值进行修正。

3 MEMS芯片加工

设计的MEMS芯片由标准洁净间工艺加工完成。首先沉积多层复合膜作为支撑结构，然后利用剥离工艺制作铂电阻丝，接着用干法刻蚀工艺开腐蚀窗口，再利用湿法腐蚀工艺释放薄膜，最后制作电阻丝的保护膜。加工完成的悬膜电阻如图2所示。从制造工艺来看，传感器的加工流程简单可控，可以保证较高的成品率[5]。

图2　微米级悬膜电阻的扫描电镜照片

图2中白色部分为铂电阻，浅灰色部分为氧化硅氮化硅复合悬膜，深灰色部分为刻蚀形成的硅开口。

4　氧气传感器测试

划片完成的芯片，封装在TO管壳内（见图3），采用恒流控制电路进行了测试。

图3　封装完成芯片的照片

恒流工作模式下，在50～2000 Ω的范围内，改变环境电阻的阻值，电路电流值也基本没有变化。只有达到2000 Ω时，电流值略有增大，增加值为0.01 nA，在可接受范围内。测量电路板如图4所示。

图4　恒流控制电路板

改变测量电阻阻值时，仿真得到输出端的电压值，如图5所示。可见当测量电阻阻值在设计范围内时，待测电阻阻值和输出电压呈线性关系，有利于后期标定或校准。

实际后期采用预先配比的高浓度氧气实验也表明，氧气浓度与输出电压具有良好的线性关系。

图5　输出电压随输入电阻变化曲线图

5　结论

本文探讨了多种氧气检测的方法及特点，从制氧机中氧气检测为出发点，提出了基于热导原理的MEMS氧气浓度测量方法。通过精密微机械加工和管壳封装制作了测试样品。仿真模拟和初步试验都表明，在高浓度范围内，传感器输出信号与氧气浓度有良好的线性关系，初步表明该方法现实可行。

参考文献：

[1]制氧机行业国家标准. YY0732-2009医用氧气浓缩器安全要求[S].

[2]邱成军，等. MEMS结构氧传感器研究[J].传感技术学报，2005，18: 531-533.

[3]张辉军，等.硅PN结基底TiO2氧传感器的特性研究[J].仪器仪表学报，2006，27: 1625-1626.

[4]杜彬贤，等.热导式气体传感器工作原理及检测方法改进[J].化学工程与装备，2010，2: 64-66.

[5] Lei Xu, Zhengfei Dai, Tie Li, Guotao Duan, Weiping Cai, Yuelin Wang. IC Compatible Fusion of Micromachined Hotplatform and Nanostructured Porous Film for High-Performance Gas Sensors[C]. Transducers 2013, Barcelona, Spain.

钱江蓉（1976—），女，湖北人，博士学历，专业研究方向为微电子机械系统、微流体等。

A New Type Thermal Method for Oxygen Concentration Measurement

QIAN Jiangrong, CHEN Cong, XU Lei, HU Guojun
（China Electronics Technology Group Corporation No.38 Research Institute, Hefei 230088,China）

Abstract：The paper investigated multiple methods for oxygen concentration measurement. A new method for oxygen concentration sensing using micro size suspending film resistor and transduction principle is designed. The thin film resistor fabricated with micro mechanic process can reduce system power consumption and enhance the working stability. With simulation and preliminary experiment verification, the proposed oxygen sensor is proved to detect high oxygen concentration accurately.

Keywords:oxygen concentration; MEMS; heat transduction

作者简介：

收稿日期：2015-9-10

中图分类号：TN305

文献标识码：A

文章编号：1681-1070（2016）03-0045-03