CN103675015A

CN103675015A - 具有提高的分辨率的热通量传感器

Info

Publication number: CN103675015A
Application number: CN201310436123.5A
Authority: CN
Inventors: 耶雷米·鲁伦; 劳伦特·杜拉福格
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2012-09-19
Filing date: 2013-09-23
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-09-23
Also published as: CN103675015B; FR2995692B1; US20140079091A1; EP2711698B1; EP2711698A1; US9746384B2; FR2995692A1

Abstract

一种热通量传感器，包括至少一个支撑部，其中至少一个薄膜（4）通过至少四个纳米线（12.1、12.2、14.1、14.2）相对于所述支撑部悬挂，所述薄膜（4）由至少一种导电材料制成，并且所述纳米线（12.1、12.2、14.1、14.2）由导电材料制成，其中两个纳米线（12.1、12.2）连接到电流源以形成所述薄膜（4）的两个端子之间的极化装置以及加热所述薄膜（4）的装置，并且其中两个纳米线（14.1、14.2）连接到电压计以形成用于测量所述薄膜（4）的端子处的电压的装置。

Description

具有提高的分辨率的热通量传感器

技术领域

本发明涉及一种热通量传感器，并涉及一种包括至少一个这种传感器的用于通过其热特性和流体特性确定气体的组分浓度的系统。

背景技术

热通量传感器被理解为任何测量传感器的主体（例如薄膜）与传感器定位在其中的流体介质之间的热交换的传感器。该热通量传感器例如为特别是TCD（热导检测器）类型的气体传感器，或者特别是皮拉尼计类型的压力传感器。

这种类型的传感器可定位在色谱柱的出口处，更特别地定位在色谱微柱的出口处，其中色谱微柱使得复杂混合物的气体元素能够按时间先后顺序分离。传感器用于确定相继地到达其表面的待分析的气体分析物的相对浓度。所述分析物混合在成为载气的气体中，所述气体以固定的速度输送到色谱柱中和传感器处。

载气可例如为干燥的空气或惰性气体。

存在可被定位在色谱柱的出口处的多种类型的传感器。

火焰离子化检测器（FIDs）。

待分析的气体在氢气流中燃烧，产生离子和电子。带电微粒被电极收集，所产生的电流用皮可安培计来测量。首先，该传感器允许仅有机成分的检测。其次，其需要氢气流，并且所产生的离子的数量总是很小。最后，传感器的尺寸不能减小。

还存在重量传感器。在这种情况下的目的是测量在传感器表面处被吸附的目标气体的质量。

传感器通常是以自然振荡频率振动的系统。该技术主要包括测量由于在由气体的吸附导致的低频率下的重量作用所产生的频移。这些传感器对于大的气体分子非常敏感，但是在非常轻的和/或不稳定的分子的浓度测量方面较不敏感。

还存在光学传感器，其操作原理通常基于光流的红外吸收。所述传感器适用于检测与碳化合的元素。但是，为了能够检测其它类型的气体，激光源的数量必须增加，这将大大增加这种设备的复杂性和成本。这些传感器还难以小型化。

电子传感器，其检测原理基于由在其表面的气体分子的存在而导致的电性质（电阻、阻抗、表面电势）的变化。这些传感器需要表面功能化。宏观的传感器相对较不敏感。毫米或纳米尺寸的传感器在它们的部分承受漂移的问题，即独立于待测量的现象的信号时间漂移，并承受对初始表面状态的极端敏感性。它们也必须功能化。

最后，存在热传导检测器（TCDs）。

TCD检测器可包括电阻被测量的加热到高温的线。线对于给定的气体具有给定的温度。当气体改变时，热环境（热传导、粘性、热对流）的性质改变，这导致线温度的变化。该变化本身导致通过测量电桥检测的电阻的改变。TCD传感器的温度越高，其分辨率越好。该传感器能够在空气中操作，但是无氧环境的使用意味着由可能的线燃烧强制要求的温度极限不再适用。TCD线通常必须放置在氦或氢载气流中。这表现出该检测器的主要限制。此外，在这些轻质气体和待检测的分析物之间存在很大的热常数差异，使得系统比在简单的干燥空气流中更加敏感。

文件WO2001/044547描述了一种被定位在色谱柱的出口处的TCD传感器。该TCD传感器包括加长的支撑板、定位在支撑板上的加长的加热元件，其中所述支撑板和所述加热元件悬挂在气体在其中流动的腔室中。安装有两个为加热元件供电的接触部，以及两个测量电压的接触部。加热元件被成形为类似于雉堞（battlement）。加热元件的电阻被测量并使得能够确定与支撑板接触的气体的成分。

该传感器制造复杂，这是因为它需要制造支架，并且然后需要制造加热元件和加热元件与基底之间的电连接件。

此外，其相对笨重。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种具有提高的分辨率的热通量传感器，该热通量传感器制造简单且占据很小的容积。

所述目的通过一种热通量传感器实现，该热通量传感器包括通过纳米线相对于基底悬挂的至少一个薄膜和测量薄膜的端子处的电压的装置，其中，由纳米线（nanowire）形成的加热并极化薄膜的装置将所述薄膜连接到至少一个电流源。

电压测量装置可由连接薄膜和电压计的纳米线形成。

薄膜和基底之间的纳米线的使用提供了薄膜相对于基底的热绝缘，这限制了经由薄膜的悬挂装置的热泄漏，并使得所述设备相对于由于气体而发生的热泄漏更加敏感。

加热纳米线和极化纳米线以及用于测量电压变化的纳米线可形成机械悬挂纳米线，这还进一步减小了热泄漏面积。

加热纳米线还有利地用于极化，因此纳米线的数量较小。

极化纳米线和用于测量电压变化的纳米线优选地分开，这允许薄膜温度的高解析度的测量。

热通量传感器具有非常小的尺寸；从而它可以与电子器件并且与由色谱柱形成的预分析系统共同集成（co-integrated）。

该传感器具有提供非常大的与气体换热的表面的优点，这使得传感器对于气体的性质更加敏感。

因此，本发明的一个主题是一种热通量传感器，其包括至少一个第一支撑部，其中至少一个第一薄膜通过至少四个纳米线相对于所述支撑部悬挂，其中所述第一薄膜由至少一种导电材料制成，并且所述纳米线由导电材料制成，其中两个纳米线连接到电流源以形成所述第一薄膜的两个端子之间的极化装置（means of polarisation）以及加热所述第一薄膜的装置，并且其中两个纳米线连接到用于测量所述第一薄膜的端子处的电压的装置。

电压测量装置可由所有已知的用于电压测量的装置制造，例如电压计、示波器或还有同步检测设备。

所述纳米线有利地具有在10×10nm²与1000×1000nm²之间的截面。

同样有利地，所述第一薄膜的厚度在10nm与1μm之间。

在一个示例实施例中，所述第一薄膜和所述纳米线由相同的导电材料层形成，从而它们形成单个零件。

所述第一薄膜和所述纳米线可由半导体材料制成，例如由N型或P型掺杂的硅、锗或SiGe制成。所述纳米线例如由掺杂硅制成，从而使得热阻系数可以消除。

作为变型，所述第一薄膜和所述纳米线可由任何传导性材料制成，并且优选由具有高电阻温度系数（TCR）的传导性材料制成，例如半导体材料、TiN、金属合金和硅化物。

第一薄膜例如包括与纳米线一起形成单个部件的第一部分和由形成在所述第一部分上的材料层形成的第二部分，所述纳米线和所述第一部分的材料具有低的热导率，所述第二部分的材料具有高的电阻温度系数。

所述纳米线的和所述第一部分的材料的热导率小于100W/m.K，所述第二部分的材料的电阻温度系数大于1000ppm/K。

所述纳米线和所述第一部分例如由硅制成，所述第二部分由TiN制成。

所述第二部分可由任何具有高的电阻温度系数（TCR）的传导性材料制成，例如半导体材料、TiN、金属合金和硅化物。更一般地，该材料被选择为使得它具有尽可能高的热导率、电导率和电阻温度系数，而第一部分的材料被选择为具有可行的最低的热导率。

所述电流源（current source）可为交变电流源，所述交变电流源可具有在10Hz和1MHz之间的，有利地在1kHz和10kHz之间的频率。

所述传感器可包括附加的悬挂元件，其被构造为仅用于所述第一薄膜相对于所述支撑部的机械悬挂。这些悬挂元件可为非直线型的，例如它们可为线圈式的或者装备有通过矩形框架连接的两个直线形部分。

所述热通量传感器还可包括在所述支撑部上的所述纳米线的和/或所述附加的悬挂装置的嵌入部（embedment），其中，所述纳米线的和/或所述附加的悬挂装置的嵌入部为纳米结构的，从而减小所述嵌入部的热传导。

在一有利的示例中，所述第一薄膜是菱形形状的，所述纳米线连接到通过菱形的较大对角线联接的顶点。

所述热通量传感器可包括通过至少四个纳米线从第二支撑部悬挂的第二薄膜，所述第二薄膜以非零的距离与所述第一薄膜平行地定位，所述纳米线由导电材料制成，并且两个纳米线连接到第二电流源以形成所述第二薄膜的两个端子之间的极化装置，并且两个纳米线从电压测量装置连接到所述第二薄膜的端子。

根据一个变型，所述第一电流源和所述第二电流源为交变电流源，所述第二电流源传输频率不同于由所述第一电流源传输的电流的频率的电流。

根据另一个变型，所述第一电流源和所述第二电流源为直流电流源，所述第二电流源传输小于由所述第一电流源传输的电流的电流，以防止所述第二薄膜中的自加热。

本发明的另一个主题是一种用于确定气态环境的浓度的系统，其包括至少一个根据本发明的热通量传感器，以及用于处理由所述传感器传输的电压值的电子单元。

本发明的另一个主题是一种用于分析气体或气体混合物的设备，其包括气体色谱柱，和至少一个根据本发明的确定系统，其中，所述薄膜被悬挂在与所述气体色谱柱的出口连接的通道中。

附图说明

通过下面的描述和所附示意图将更好地理解本发明，其中：

图1是根据本发明的热通量传感器的一部分的示例实施例的俯视图的示意性图示；

图2是根据本发明的热通量传感器的横截面视图；该截面还表示传感器可合并到其中的流体通道的示例；

图3是用于极化薄膜并用于测量薄膜的端子处的电压的电路的示意性图示；

图4是表示根据本发明的在气体传感器的特定方案中的热通量传感器的相继的操作阶段的流程图；

图5是本发明的热通量传感器的另一个示例实施例的侧视图的示意性图示；

图6A至图6D是根据本发明的热通量传感器的变型实施例的示意性图示；

图7是允许差动测量（differential measurement）的根据本发明的热通量传感器的另一个示例实施例的透视图；

图8A至图8H是制造根据本发明的热通量传感器的方法的示例的不同步骤的示意性图示。

具体实施方式

本申请中，用语“热通量传感器”被理解为感应温度变化并产生表示电压变化的电信号的设备，用于“用于确定浓度的系统”被理解为一种系统，其包括热通量传感器和用于处理被传感器传输的信号并传送分析物浓度值的装置。

在下文的描述中，术语“气体”、“气态混合物”和“气态环境”被认为是同义词，并表示待分析的分析物或分析物的混合物。

在图1中，可见根据一示例实施例的传感器，包括通过悬挂装置相对于基底4悬挂的薄膜2。悬挂装置由将薄膜2连接到基底的锚固柱10的纳米线8形成。

热通量传感器还包括由将薄膜分别连接到电接触垫A、B、C、D的纳米线形成的电连接件12.1、12.2和14.1、14.2。

非常有利地，纳米线12.1、12.2形成极化薄膜的装置和加热薄膜2的装置。纳米线被电连接到电流源20（在图3中表示）。可能为热泄漏源的基底和薄膜之间的连接件的数量因此可以是少的。

纳米线14.1、14.2电连接到电压计22（在图3中表示），并由此形成测量薄膜的端子处的电压变化的装置。

在图2中，可见定位在连接到待分析气体的供应源的流体通道24中的传感器的截面视图。

在本申请中，用语“纳米线”被理解为纳米尺寸的电导线，即其截面在10×10nm²与1000×1000nm²之间，并且有利地等于50×50nm²，其长度在100nm与10μm之间，并且有利地为大约2μm。

薄膜优选具有在1μm²与100×100μm²之间的面积以及在10nm与1μm之间的厚度。

材料被选择为使其具有高的电阻温度系数（TCR）。此外，其优选被选择为具有非常高的熔点，由此允许高的操作温度，提高信噪比。

传感器的悬挂部分可由硅制成。其可优选由掺杂材料制成，以提高电阻温度系数。例如，传感器的悬挂部分可由N型掺杂硅或P型掺杂硅制成。硅可有利地为多孔式的，以增大换热表面。

有利地，其可由锗或SiGe制成。

在由硅制成的结构的情况下，操作温度为大约600℃。

以特别有利的方式，薄膜和纳米线可由TiN制成，允许操作温度为大约2000℃，这使得信噪比增大。

在硅的情况下，TCR为大约1000ppm，在TiN的情况下，TCR为大约100ppm。

在图3中，表示出根据本发明的传感器的电路的电路图。

电流源20连接到接触部A和B，电压计22连接到接触部C和D。传感器使用纯电阻变换方法，其中薄膜中的温度变化借助其电阻的变化来测量。

R_v表示电压计的阻抗，R_sinw表示每个纳米线12.1、12.2、14.1、14.2的电阻。

V₁-V₂是在薄膜4的端子处测得的电压。

电压计优选具有比纳米线14.1、14.2的电阻R_sinw更高的阻抗。以此方式，纳米线14.1、14.2的端子处的电压可被忽略。从而，在点C和D处测得的电压可被认为等于V₁-V₂。

此外，这使得可能在纳米线中发生的噪声现象能够被忽略。

传感器传送表示薄膜端子处的电压变化的信号；通过本身取决于与薄膜接触的气态环境的成分的薄膜的温度变化，由该测量可确定薄膜的电阻的变化。然后，可以确定气态环境的成分。

我们将给出根据本发明的传感器的相关信息。

薄膜通过焦耳效应被加热。

电流在电A和B之间流动，即在纳米线12.1、薄膜2和纳米线12.2中流动，并通过焦耳效应加热组件。

纳米线12.1、12.2具有比薄膜的截面小得多的截面；因此，认为所有功率产生自纳米线。因此，薄膜原则上由通过纳米线的传导加热，热功率由纳米线产生。

该结构通过使用接触部A和B之间流动的电流来极化。纳米线中产生的热功率等于

P_J=2R_sinwI²

薄膜2的热损失可由两个热阻表示：

-

每个纳米线的热阻；该热阻优选被最大化以限制通过纳米线的热损失。

-

气体的热阻；该热阻优选较低，以便于与薄膜进行热交换。

从而薄膜中的温度升高可如下表示：

ΔT = \frac{P_{J}}{G_{{th}_{\sin w}} + G_{{th}_{gaz}}}

其中，

G_{{th}_{\sin w}} = \frac{1}{R_{{th}_{\sin w}}}

和

G_{{th}_{gaz}} = \frac{1}{R_{{th}_{gaz}}}

是纳米线的和气体的热导率。

温度变化可表示为：

ΔT = \frac{P_{J}}{G_{{th}_{gaz}} (1 + \frac{{GG}_{{th}_{\sin w}}}{G_{{th}_{gaz}}})} - - - (I)

气体的热导率（thermal conductivity）可表示为：

G_{{th}_{gaz}} = \frac{k_{{th}_{gaz}} L_{m}^{2}}{d_{t}}

其中，L_m是薄膜的特征长度，d_t是恒温器与薄膜之间的距离，

是气体的热导率。

通过本发明，特别是由于纳米结构中声子（phonons）的限定，薄膜4与基底通过纳米线热绝缘，纳米线具有其热阻比薄膜的热阻高的优点。因此，纳米线的热导率较低。

作为结果，比例

较高。

从关系式（I）可以推导出温度变化△T可大约为

ΔT = \frac{P_{J}}{G_{{th}_{gaz}}}

或

ΔT = \frac{P_{J}}{\frac{k_{{th}_{gaz}} L_{m}^{2}}{d_{t}}}

通过提高比例

温度相对于气体的热导率的依存关系提高。

从而，温度变化ΔT与气体的热导率成反比。因此，根据本发明的传感器相对于与薄膜接触的气体的性质非常敏感。

所述温度变化表示为：

ΔT = \frac{P_{J}}{G_{{th}_{\sin w}} + \frac{k_{{th}_{gaz}} L_{m}^{2}}{d_{t}}}

我们将确定根据本发明的传感器的敏感度。

在图4中，可见表示气体检测的确定方法的相继的步骤的流程图。

-δC表示分析物浓度峰值，

-k，薄膜周围的气态环境的热导率，

-T，薄膜的温度，

-V，与电压计的端子处的电压相当的薄膜端子处的电压，

-S₁、S₂和S₃表示每个确定步骤的敏感度。

当在薄膜的表面处达到分析物浓度峰值δC时，这产生气体热导率的变化δk。然后我们通过

限定该步骤的敏感度。

薄膜的温度取决于气体的热导率。从而我们限定了

温度变化导致薄膜的电阻的变化，并且因此导致其端部处的电压变化。

我们限定了S₁是材料的电阻温度系数。

由此，分析物浓度的改变导致薄膜端子处电压的改变。

在通常的热通量传感器的情况下，形成分析物浓度与热导率之间的关系式的检测分析物浓度峰值的步骤没有发生。

系统的总的热导率表示为：

S_{tot} = \frac{1}{V} \frac{δV}{δC} = S_{1} S_{2} S_{3}

我们现在将确定传感器的分辨率。

传感器的分辨率受到其噪声的限制。

必须考虑多个噪声源：

-约翰逊噪声：S_J=4k_bTR，与载子（声子/电子和声子/孔的相互作用）的移动性的变化相关。

-闪烁噪声：

S_{1 / f} = \frac{{HV}^{2}}{Nf}

-热噪声或声子噪声：

-

与薄膜的内部能量的波动相关。

然后，系统的电压分辨率限制通过带宽的总噪声的积分给定：

δV &cong; \sqrt{(S_{J} + S_{1 / f} + S_{phonons}) \cdot BW}

BW是信号的积分带宽。

然后系统的浓度分辨率可被推出：

δC = \frac{1}{V \cdot S_{tot}} \sqrt{(S_{J} + S_{1 / f} + S_{phonons}) \cdot BW}

为了减小闪烁噪声，也被成为“1/f噪声”，动态地形成测量是有利的，即以足够高频率的交变电流源工作是有利的。

供应电流的频率值被选择为使得系统以准静态模式操作。实际上，如果电流频率过高，则系统的惯性不允许薄膜大幅度的升高，且想要的信号的振幅减小。

此外，调制温度升高的事实可使得电信号的或温度的静态漂移被忽略。

该测量例如通过加载交变电流和通过测量薄膜端子处2ω电压的谐波来实现。以ω施加的电流导致温度的变化，并且因此导致线中2ω的电阻的变化，其可被表示为ΔR=ΔR0×cos(2ωt)。通过在线中注入恒定电流I0，其由此获得等于ΔR*I0的电压分量。

薄膜和纳米线可由不同的材料制成。通过选择材料，可限制纳米线或它们的锚固部中出现的现象的影响，从而使得仅在薄膜中出现温度变化，这使得传感器的敏感性能够提高。

在图5中所示的有利的示例实施例中，传感器包括形成纳米线的由硅制成的单个零件的部分以及形成支撑部的薄膜的第一部分4.1’和覆盖第一部分4.1’并形成传感器的敏感部分的薄膜4’的第二部分4.2’，其中第二部分4.2’由具有高的电阻温度系数的材料制成。

在有利的实施例中，第二部分4.2’由TiN制成，其具有高的电阻温度系数和超过2900℃的非常高的熔点。

在该示例实施例中，薄膜4’的第二部分4.2’被纳米线12.1、12.2以及第一部分4.1’加热。

电阻温度系数刻画了温度对材料电阻的影响。

因此，系统的输出信号与电阻温度系数成正比，并且系统的最小分辨率与该系数成反比。通过选择具有高电阻温度系数的材料，可进一步降低最小分辨率。

以甚至更加有利的方式，纳米线由具有非常低或接近0的电阻温度系数的材料制成；从而纳米线的电阻对温度几乎不敏感，并且仅薄膜的电阻根据温度而变化。在该示例中，由于制造方法的缘故，薄膜的第一部分也由具有非常低的电阻温度系数的材料制成；然而，由于具有非常高的电阻温度系数的材料层的沉积，薄膜的电阻很大程度上随温度变化。

纳米线由例如掺杂硅制成，从而使得热阻系数被消除。

在图6A至图6D中，可见根据本发明的传感器的其它示例结构。

在图6A中，薄膜4具有盘形形状并且通过两个纳米线机械地悬挂。

在图6B中，薄膜4具有矩形形状并且通过两个纳米线8机械地悬挂，所述两个纳米线8在矩形的较大侧边的中间连接到薄膜。电连接纳米线12.1、12.2、14.1、14.2连接到矩形的四个顶点。

在图6C中，薄膜4具有菱形形状并且通过在菱形的两个相对的顶点处的两个纳米线机械地悬挂。

电连接纳米线12.1、12.2、14.1、14.2成对地连接到菱形的由较大长度的对角线联接的另外两个相对的顶点中的每个上。

在图6D中，薄膜4具有椭圆环形形状并且通过与椭圆的短轴对齐的两个纳米线8机械地悬挂。电连接纳米线12.1、12.2、14.1、14.2成对地连接到椭圆的与长轴对齐的两个端部。

图6B的结构是特别有利的，这是因为其提供了通过薄膜的接近均匀的和快速的温度扩散。图6C的结构提供了通过薄膜的接近均匀的和相对快速的扩散。

如图1的示例所解释的那样，可以省略机械悬挂的纳米线。

在图7中，可见热通量传感器的示例实施例，其包括第一薄膜和第二薄膜，所述第一薄膜和第二薄膜被悬挂并且被定位为彼此平行。

第一薄膜104用于激励传感器，第二薄膜204用于检测。

第一薄膜通过四个纳米线112.1、112.2、114.1、114.2悬挂。纳米线112.1、112.2用于连接到第一电流源以加热第一薄膜104。

第一薄膜的电压优选被测量并且其温度被确定。纳米线112.1、112.2有利地极化第一薄膜，纳米线114.1、114.2连接到电压计。

作为变型，可以假想不确定第一薄膜的温度；在此情况下，纳米线114.1、114.2仅用作悬挂装置。

第二薄膜204也通过四个纳米线212.1、212.2、214.1、214.2悬挂。

第一薄膜和第二薄膜以距离d被分隔，距离d例如是大约一纳米到几百纳米。

纳米线212.1、212.2用于连接到第二电流源以极化薄膜。电压源优选传输恒定的与第一电流源传输的电流相比较低振幅的电流，以防止激励信号与检测信号之间的任何干涉。通过以低振幅电流极化，防止第二薄膜被用于极化薄膜的电流显著加热。

纳米线214.1、214.2用于连接到电压计，以测量薄膜中由第二薄膜的加热导致的电压变化。

现在将描述该传感器的操作。

待分析的气态环境位于两个薄膜104、204之间。

电流在纳米线112.1、112.2中以及第一薄膜104中流动。通过焦耳效应，纳米线112.2、112.2被加热并且通过传导来加热第一薄膜104。第二薄膜通过穿过两个薄膜之间的气体的传导而被加热。

因此，第二薄膜的加热取决于气体的热导率。

借助电压计在第二薄膜204的端子处测量电压。

通过该测量，第二薄膜的温度被确定。已知第一薄膜的温度，从而能够以上述用于具有一个薄膜的传感器的方法类似的方式，推导两个薄膜之间的气态环境的成分，所述成分使得由第一薄膜的加热导致第二薄膜的加热。

如上所述，激励信号可为交变电流，其使得闪烁噪声能够减小。在此情况下，极化第二薄膜的电流为直流电流。

薄膜的形状不受限制，图6A至图6D的示例实施例的形状可用于图7的传感器中。

还能够想到放置面向薄膜的一个或多个纳米线，其恢复由纳米线产生的热。

此外，薄膜的和用加热薄膜的纳米线的机械悬挂装置的嵌入部可有利地为纳米结构，以限制锚固部的热传导。实际上，通过例如在硅中形成例如大约20nm直径且间距为15nm至20nm的纳米尺寸的孔，可阻挡热扩散，同时保持令人满意的导电性质。由此，悬挂的嵌入部变得热绝缘，但保持为电子（或孔）的导体。作为示例，这种纳米结构的单晶硅呈现出像非晶硅那么低的热导率值。这些绝缘装置被称为声子绝缘子。

可以想到，以绝缘材料，例如SiO2或SiOC或SiN来填充孔，其可以有利的在机械上加强锚固部。

我们现在将描述根据本发明的传感器的制造方法的示例。

在图8A至图8H中，可见制造方法的不同步骤的示意性图示。

在所述示例中，使用SOI（绝缘体上硅）板，如图8A中所示。SOI基底包括硅层26和单晶硅层28，其中层26和28被SiO₂层20分隔。单晶硅层28形成前表面。

在第一步骤中，SiO₂氧化物层32沉积在层28上。以该方式形成的元件在图8B中示出。

在随后的步骤中，例如使用硼对位于氧化物层30与氧化物层32之间的硅层28进行P++掺杂。

穿过氧化物层的掺杂允许层28中的掺杂物更均匀的分布。所获得的掺杂为大约1.10¹⁹at./cm³。该掺杂的效果是使得硅的电阻温度系数最大化。

以此方式形成的元件在图8C中示出。所述掺杂由点象征性地示出。

在随后的步骤中，氧化物层32被移除，树脂层33被沉积，树脂32中的图案轮廓通过光刻限定，例如通过远紫外线（DUV）光刻或通过DUV和电子束的混合光刻限定。这些光刻方法对于本领域技术人员是已知的并且将不进行详细描述。电子束光刻允许纳米设备蚀刻期间的光衍射相关效应被忽略。

以此方式形成的元件在图8D中示出。

在随后的步骤中，硅层例如通过各向异性反应离子蚀刻（RIE）被蚀刻。

以此方式形成的元件在图8E中示出。

在随后的步骤中，在蚀刻的硅层28上进行SiO₂34的化学沉积，然后SiO₂34例如通过等离子蚀刻进行蚀刻，以划定电接触部的位置36。

电接触部38然后例如通过喷射沉积通过沉积例如铝而形成。

以此方式获得的元件在图8F中示出。

在随后的步骤中，该结构例如利用氢氟酸蒸汽例如通过蚀刻层30而释放。

被释放的结构在图8F中可见。薄膜4和纳米线由此被制造为由单晶硅制成的单个部件。

作为示例，层28为160nm厚，埋置的氧化物层为400nm厚，硅层26为750μm厚，氧化物层32为400nm厚，且树脂层33为800nm厚。

在氧化物和树脂的情况下，这些值是数量级；取决于期望的分辨率，它们可以变化，但是小于或优选小于一微米。

由此，已经制造了对气态环境的成分改变敏感的热通量传感器。此外，其较小尺寸使其非常紧凑。

该热通量传感器特别适用于制造气体传感器。这种气体传感器可有利地与气体色谱柱相关，且更具体地与气体色谱微柱相关。气体分析设备可包括气体色谱微柱和定位在与微柱的出口串联的通道内的根据本发明的传感器，以及用于处理由传感器传输的信号的电子单元。

所述微柱有利地利用微电子技术制成。

分析设备优选地包括多个串联的传感器。

分析设备可包括多个微柱，其中每个直接与根据本发明的传感器串联，并且借助于此形成子组件。所述设备从而包括多个串联连接的子组件。电子处理单元有利地共用于所有传感器。

待分析的气态混合物被注射到微柱中，然后不同的分析物被分离，相继地离开柱。然后一个或多个传感器检测在时间上错开的分析物峰。

该测量设备是非常紧凑的并且具有非常令人满意的分辨率。

Claims

1.一种热通量传感器，包括至少一个第一支撑部、通过至少四个纳米线（12.1、12.2、14.1、14.2）相对于所述支撑部悬挂的至少一个第一薄膜（4、4’），所述第一薄膜（4、4’）由至少一种导电材料制成，并且所述纳米线（12.1、12.2、14.1、14.2）由导电材料制成，其中两个纳米线（12.1、12.2）连接到电流源（20）以形成所述第一薄膜（4、4’）的两个端子之间的极化装置以及加热所述第一薄膜（4、4’）的装置，并且两个纳米线（14.1、14.2）连接到用于测量所述第一薄膜（4、4’）的端子处的电压的装置（4、4’）。

2.根据权利要求1所述的热通量传感器，其中，所述纳米线（12.1、12.2）具有在10×10nm²与1000×1000nm²之间的截面。

3.根据权利要求1或2所述的热通量传感器，其中，所述第一薄膜（4、4’）的厚度在10nm与1μm之间。

4.根据权利要求1或2所述的热通量传感器，其中，所述第一薄膜（4）和所述纳米线（12.1、12.2、14.1、14.2）由相同的导电材料形成，从而它们形成单个零件。

5.根据权利要求4所述的热通量传感器，其中，所述第一薄膜（4）和所述纳米线（12.1、12.2、14.1、14.2）由半导体材料制成。

6.根据权利要求4所述的热通量传感器，其中，所述第一薄膜（4）和所述纳米线（12.1、12.2、14.1、14.2）由N型或P型掺杂的硅、锗或SiGe制成。

7.根据权利要求1或2所述的热通量传感器，其中，所述第一薄膜（4’）包括与纳米线（12.1、12.2、14.1、14.2）形成单个部件的第一部分（4.1’）和由形成在所述第一部分（4.1’）上的材料层形成的第二部分（14.2’），所述纳米线（12.1、12.2、14.1、14.2）和所述第一部分（4.2’）的材料具有低的热导率，所述第二部分（4.2’）的材料具有高的电阻温度系数。

8.根据权利要求7所述的热通量传感器，其中，所述纳米线（12.1、12.2、14.1、14.2）的和所述第一部分（4.2’）的材料的热导率小于100W/m.K，所述第二部分（4.2’）的材料的电阻温度系数大于1000ppm/K。

9.根据权利要求7所述的热通量传感器，其中，所述纳米线（12.1、12.2、14.1、14.2）和所述第一部分（4.2’）由硅制成，所述第二部分由TiN制成。

10.根据权利要求1或2所述的热通量传感器，其中，所述电流源（20）为交变电流源。

11.根据权利要求10所述的热通量传感器，其中，所述交变电流源具有在10Hz和1MHz之间的频率。

12.根据权利要求10所述的热通量传感器，其中，所述交变电流源具有在1kHz和10kHz之间的频率。

13.根据权利要求1或2所述的热通量传感器，包括仅用于所述第一薄膜（4）相对于所述支撑部的机械悬挂的附加的悬挂元件（8）。

14.根据权利要求1或2所述的热通量传感器，包括在所述支撑部上的所述纳米线的和/或所述附加的悬挂元件的嵌入部，其中，所述纳米线的和/或所述附加的悬挂元件的嵌入部为纳米结构的，从而减小所述嵌入部的热传导。

15.根据权利要求1或2所述的热通量传感器，其中，所述第一薄膜（4）具有菱形形状，并且其中，所述纳米线连接到由所述菱形的较大对角线联接的顶点。

16.根据权利要求1或2所述的热通量传感器，包括通过至少四个纳米线从第二支撑部悬挂的第二薄膜，所述第二薄膜以非零的距离（d）与所述第一薄膜平行地放置，所述纳米线由导电材料制成，并且两个纳米线（212.1、212.2）连接到第二电流源（20）以形成所述第二薄膜（204）的两个端子之间的极化装置，并且两个纳米线（214.1、214.2）从电压测量装置（4、4’）连接到所述第二薄膜（204）的端子。

17.根据权利要求16所述的热通量传感器，其中，所述第一电流源和所述第二电流源为交变电流源，所述第二电流源传输频率不同于由所述第一电流源传输的电流的频率的电流。

18.根据权利要求17所述的热通量传感器，其中，所述第一电流源和所述第二电流源为直流电流源，所述第二电流源传输小于由所述第一电流源传输的电流的电流，以防止所述第二薄膜中的自加热。

19.一种用于确定气态环境的浓度的系统，包括至少一个根据权利要求1至18中的一项所述的热通量传感器、用于处理由所述传感器传输的电压值的电子单元。

20.一种用于分析气体或气体混合物的设备，包括气体色谱柱（CG），和至少一个根据权利要求19的确定系统，其中，所述薄膜被悬挂在与所述气体色谱柱的出口连接的通道中。