CN104797930A - 热流传感器,包括至少一个此类传感器的气体传感器以及包括至少一个此类传感器的皮拉尼规 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热流传感器，该热流传感器包括悬挂到支撑件上的至少一个第一悬挂元件(2)，所述第一悬挂元件(2)由导电材料制成，所述悬挂元件(2)的第一偏置装置(6)以及用于测量悬挂元件(2)的末端处的电压的变化的第一测量装置(8)，所述第一悬挂元件(2)由纳米线形成，并且所述第一偏置装置(6)由交变电流源形成，所述交变电流源的强度通过焦耳效应加热第一悬挂元件(2)。所述传感器能够采用多个悬挂纳米线的形式并能够基于气体的热导率测量的原理被用作气体传感器。

Description

热流传感器,包括至少一个此类传感器的气体传感器以及包括至少一个此类传感器的皮拉尼规

技术领域

本发明涉及一种热流传感器或TCD(Thermal Conductivity Detector，热传导检测器)传感器，能够用于测量气体的浓度或者测量极低压强，并因此形成皮拉尼规。

背景技术

一般来说，热流传感器意味着任何对传感器主体(膜)与传感器所处的流体媒介之间的热量交换进行测量的传感器。

热流传感器被放置在包含所要分析的要素的环境中，在气体传感器的情况下为运输气体中的分析物，或者在皮拉尼规的情况下仅仅是大量气体分子。

文件WO 2001/044547说明了一种TCD(热传导检测器)传感器，该TCD传感器使用热导率的变化来确定所处位置的气体环境的组分。TCD传感器被放置在色谱柱的输出端。该TCD传感器包括狭长的支撑板，支撑板上放置有加热元件。在被加热的支撑板的末端处检测电压变化以确定电阻变化，电阻变化取决于支撑板的温度并且代表支撑板与气体环境之间的热量交换；这些热量交换取决于气体环境的组分。这样的传感器制造复杂，这是因为需要制作支撑板并且随后制作加热元件。

皮拉尼规由微米尺寸的悬挂细丝制成，该悬挂细丝被放置在要对压强进行测量的外壳中并且被加热。压强测量值从气体传导导致的细丝所损失的热量推出：遇到细丝的分子吸收细丝的部分能量。

这些传感器的缺点是使得不能够完全避免在传感器外面出现例如温度漂移的现象。

此外，通常尝试减小传感器的尺寸以便于传感器的集成并增加应用领域的数量。然而，这样的尺寸缩减导致闪烁噪声增大，闪烁噪声也被称为“1/f噪声”。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种热流传感器，该热流传感器允许避免在尺寸减小的传感器外部出现的至少一部分现象。

本发明的另一目的是提供一种热流传感器，该热流传感器与现有技术中的传感器相比制造更简单。

上述目的通过一种热流测量设备来实现，该热流测量设备包括用于放置在待分析的环境中的至少一个纳米线，用于动态加热所述纳米线的装置以及用于测量纳米线的电压的动态变化的装置。

“动态加热”指的是施加给定周期下的交变电流，并且“电压的动态变化”指的是由于纳米线温度随时间变化所导致的纳米线的电阻变化而造成的电压变化。

一个或更多纳米线的实施方式允许具有热时间常数相对较低的灵敏元件，这允许设备随着电流变化而具有温度变化并因此能够施加动态激励信号。

动态激励信号的施加使传感器能够对缓慢漂移不灵敏，例如对媒介的温度漂移不灵敏。

根据本发明的测量设备具有系统温度的测量的高分辨率。

进一步，得益于本发明，激励信号的频率足以减小闪烁噪声。

在一个尤其有利的实施例中，测量设备包括至少两个纳米线或悬挂元件。

在一个实施例中提供了用于动态加热所述纳米线的装置以及用于测量纳米线的电压的动态变化的装置。

在另一实施例中，纳米线之一被用于通过焦耳效应加热，并且其他纳米线被用于测量。“激励”部分和“检测”部分则被解耦合，从而允许对诸如温度之类的外部参数的漂移的灵敏度降低。

通过增加纳米线的数量，放置在气体流过的通道中的传感器使得能够表征通道中的热传递。

本发明进一步使得能够制作极小尺寸的高性能检测器，该高性能检测器能够使用微电子技术共同集成并且兼容CMOS(VLSI)。

这样的传感器尤其关注于作为用在气体色谱微柱内和/或气体色谱微柱输出端处的气体传感器。

因此，本发明的主题为热流传感器，该热流传感器包括悬挂在支撑件上的至少一个第一元件，所述第一悬挂元件为导电材料，用于使所述悬挂元件偏置的第一装置以及用于测量悬挂元件的末端处的电压变化的第一装置，所述第一悬挂元件由至少一个纳米线形成，并且所述第一偏置装置由交变电流源形成，所述交变电流源的强度通过焦耳效应提供第一悬挂元件的加热。第一悬挂元件提供热激励并对通过交变加热导致的阻值变化进行检测。

在一个示例性实施例中，传感器包括由至少一个纳米线形成的第二悬挂元件，第二悬挂元件基本上平行于第一悬挂元件并且与第一悬挂元件相隔给定距离，用于使第二悬挂元件偏置的第二装置以及用于测量第二悬挂元件的末端处的电压变化的第二装置，第二偏置装置由频率与第一偏置装置的频率不同的交变电流源或者直流电流源形成。因此，第二悬挂元件仅提供对第一悬挂元件的交变加热导致的阻值变化的检测。

在另一示例性实施例中，传感器包括基本上彼此平行放置的n个第一悬挂元件，n为严格大于1的正整数，每个第一悬挂元件包括用于使所述第一悬挂元件偏置的第一装置和用于测量第一悬挂元件的末端处的电压变化的第一装置，n个第一元件的所述第一偏置装置由具有相同频率或不同频率的交变电流源形成，该交变电流源的强度通过焦耳效应分别提供相应第一悬挂元件的加热。n个第一类型的悬挂元件提供了热激励并对由交变加热导致的阻值变化进行检测。

在另一示例性实施例中，传感器包括彼此基本平行的m个第二悬挂元件，m为严格大于1的正整数，每个第二悬挂元件包括用于使所述第二悬挂元件偏置的第二装置以及用于测量第二悬挂元件的末端处的电压变化的第二装置，第二偏置装置由频率与第一偏置装置的频率不同的交变电流源或者直流电流源形成。整数n和m根据不同的实施例能够相等或者不等。

有利地，n个第一悬挂元件的第一偏置装置分别与使m个第二悬挂元件偏置的第二偏置装置是公用的。

例如，第一悬挂元件能够位于m个第二悬挂元件之间和/或第二悬挂元件能够位于n个第二悬挂元件之间。

在一个示例性实施例中，n个第一悬挂元件和m个第二悬挂元件分布在一个或多个平行平面内，在后一种情况下，传感器则扩展到三维中。该传感器类型能够允许对流体通道中的热交换进行表征。

在传感器包括第一悬挂元件的另一示例性实施例中，第一悬挂元件能够有利地包括至少两个链接到支撑件上的热质量块，热质量块被放置在第一悬挂元件的两侧。在传感器包括n个第一悬挂元件的情况下，传感器能够有利地包括n+1个热质量块，所述n+1个热质量块被放置为使得每个第一元件被两个质量块包围。形成恒温质量块的质量块改善了热交换。

有利地，第一悬挂元件或第二悬挂元件的宽度、长度和厚度分别介于10nm和1μm之间、1μm和100μm之间以及10nm和1μm之间，分隔第一悬挂元件与第二悬挂元件的距离介于10nm和10μm之间。

例如，根据本发明的包括被m个第二悬挂元件围绕的第一悬挂元件的热流传感器能够被放置在通道中。所述悬挂元件则能够平行于通道的轴线放置以确定通道内的气体中的横向热交换。

本发明的另一主题为一种用于确定气体环境的浓度的系统，该系统包括至少一个根据本发明的热流传感器，用于对热流传感器传递的电压值进行处理的电子器件。

本发明的主题还提供一种用于确定气体环境中的压强的系统，该系统包括至少一个根据本发明的热流传感器，用于对热流传感器传递的电压值进行处理的电子器件。

本发明的另一主题是一种用于分析气体或气体混合物的设备，该设备包括气相色谱柱以及至少一个根据本发明的用于确定浓度的系统，所述确定系统被放置在通道中，该通道连接到气体色谱柱的输出端。

附图说明

通过以下说明以及附图将更好地理解本发明，在附图中：

图1为具有纳米线的一个示例性传感器的示意图；

图2为图1的传感器的热模型的示意图；

图3为具有两个纳米线的一个示例性传感器的示意图；

图4为图3的传感器的等效电路图的示意图；

图5为具有三个纳米线的一个示例性传感器的示意图；

图6为具有n个纳米线的一个示例性传感器的示意图；

图7A为根据本发明的传感器的不同纳米线的温度根据纳米线在通道中的位置的不同的曲线示意图；

图7B为根据本发明的设置有具有数个纳米线的传感器的通道的横截面示意图；

图8A和8B为具有分布在数层中的数个纳米线的传感器的示意图；

图9A和9B分别为实现恒温质量块的另一示例性测量设备的俯视图和侧视图；

图9C和9D为实现恒温质量块的测量设备的其他示例性实施例的俯视图；

图10A至10H为用于制作根据本发明的传感器的一个示例性方法的各个步骤的示意图。

具体实施方式

在图1中能够看到根据本发明的一个示例性测量设备，包括位于支撑件4的两个纵向端上的悬挂元件2。纳米线2通过形成接触衬垫的锚定衬垫3锚定到支撑件上。悬挂元件2为纳米线。

在之后的说明中使用短语“纳米线的末端”来说明支撑件上纳米线的接触衬垫，接触衬垫通常在支撑件上的纳米线的锚定衬垫上形成。

元件2为导电材料，例如为掺杂或未掺杂的半导体材料，例如N掺杂硅或P掺杂硅、TiN、金属或金属合金、甚至是硅化物，例如NiSi。

纳米线的长度有利地介于1μm和100μm之间，并且纳米线的宽度和厚度有利地介于10nm和1μm之间。

测量设备还包括有由链接到纳米线2上的交变电流源6形成的动态或调制激励装置以及由伏特计8形成的用于对纳米线的末端处的电压的变化幅度进行检测的装置。

交变电流源6形成用于通过焦耳效应(Joule effect)动态加热纳米线的装置。悬挂元件2凭借其极小的尺寸而具有非常低的热惯性并且因此具有非常快的热响应，这使得能够应用调制激励信号。

在此对图1的测量设备的工作进行解释。

悬挂纳米线2被放置在所要分析的气体混合物中。

纳米线2通过在其中流过交变电流来加热。通过焦耳效应，这生成了导致自加热的热功率。纳米线的温度升高取决于从纳米线到气体环境以及从纳米线到锚定的热传递。与环境的传递主要控制纳米线加热。

在图2中能够看到测量设备的热模型。

被加热的纳米线能够类比为经由热阻R_th连接到温度为T₀的恒温器上的热容C_th，热阻R_th被类比为纳米线的阻值R_th nanowire(R_th nanofil)以及气体环境R_th gas(R_th gaz)的阻值。

测量的原理如下：

当气体环境中的分析物浓度改变时，气体环境的热导率改变。因此，纳米线与气体环境之间的热量交换改变，并且随后系统的温度变化。

为了确定该温度，纳米线的取决于温度的电阻被确定。热阻通过使用伏特计测量纳米线2的末端处的电压来确定。

通过确定纳米线的局部温度，可以推断出运输气体中的分析物浓度。

提供加热并用于检测的该纳米线被作为第一类型的纳米线或元件。

纳米线产生的焦耳效应功率等于：

P_J＝R₀I²

R₀为纳米线的初始电阻。

电流源6使用角频率为ω的交变电流I＝I₀cos(ωt)对纳米线进行偏置，因此生成了角频率为2ω的功率：

$P_J=\frac{R_0{I}_0^2}{2}[1+\cos \left(2\mathrm{\ωt}\right)]$

凭借本发明，因为加热元件由纳米线形成，则加热元件的热时间常数相比于热激励频率的倒数较低，因此，存在相同的角频率下的纳米线的温度变化：

ΔT＝ΔT₀(1+cos(2ωt))   (I)

纳米线的末端处的电压则包括取决于温度的3ω下的谐波。

V_sinw＝RI＝R₀(1+TCR.ΔT₀(1+cos(2ωt)))I₀cos(ωt)

通过滤波和同步检测，纳米线的温度能够通过测量该谐波的幅度来确定。

应用了动态激励信号的测量使得能够基本上避免外部常数现象，例如环境温度中的慢漂移，这在现有技术的传感器中能够干扰测量。另外，在不同于激励频率的频率下的检测使得背景信号能够被减小，则所测量的信号的主要部分取决于焦耳效应造成的温度变化。

另外，凭借本发明，可以通过应用足够高频率的激励信号来减小闪烁噪声，例如介于10Hz和1MHz之间并且有利地介于1KHz和10KHz之间的激励信号。

在之前的计算中，假设在整个纳米线上的温度升高基本相同。但是，在实际中，纳米线上的温度升高呈现出抛物线线型。

为了考虑到该抛物线线型，纳米线的整个长度上的阻值变化通过考虑到纳米线的温度曲线来积分。该假设并未修改根据本发明的设备的检测原理。

有利地，能够实现外差测量。为此，除了激励信号以外，角频率为2ω-Δω的第二电流I_bias也被注入到纳米线中。输出信号因此被记作：

V_sinw＝RI＝R₀(1+TCR.ΔT₀(1+cos(2ωt)))[I₀cos(ωt)+I_biascos((2ω-Δω)t)]

信号相乘导致产生信号在Δω下的分量。

$V_{\mathrm{\Δ\ω}}=\frac{1}{2}{R}_0{I}_{\mathrm{bias}}\mathrm{TCR}.{\mathrm{\ΔT}}_0\cos \left(\mathrm{\Δ\ωt}\right)$

该方法一方面允许对在与激励频率不同的频率下的信号进行检测，并且另一方面允许通过使检测信号重新处于低频而避免系统的电截止频率。因此获得了未衰减的检测信号。

该方法尤其适用于高频工作。

偏置信号的应用导致引起预期外的加热，但是因为该加热处于不同的频率下，所以不会干扰测量。

在图3中能够看到另一示例性热流测量设备，该热流测量设备实现了两个基本彼此平行并且并排放置的悬挂纳米线2.1和2.2。

两个纳米线2.1、2.2悬挂在支撑件4上。

每个纳米线2.1、2.2的锚定点分别被称为A和C、B和D。

分隔两个纳米线的距离较优地小于10μm且大于50nm。

在皮拉尼传感器的情况下，纳米线之间的距离值影响压强范围，而传感器对压强范围很灵敏。纳米线2.1被链接到第一交变电流源6.1以及用于测量电压的第一装置8.1上，并且纳米线2.2被连接到第二交变电流源6.2以及用于测量电压的第二装置8.2上。

纳米线2.1提供设备的热激励，并且纳米线2.2提供检测。所要分析的气体环境位于两个纳米线之间。纳米线2.1为第一类型的纳米线，并且纳米线2.2由于仅用于检测而被称为“第二类型的纳米线”。

至少一个激励纳米线以及至少一个不同于激励纳米线的检测纳米线的实施方式使得从一悬挂元件传递到另一悬挂元件的热量减少。此外，该实施方式使得可以避免纳米线的锚定对支撑件的影响。锚定处的热耗散效应同样地作用在两个纳米线上并且两个纳米线之间的温度差得到测量。

在下文中，指标“in(内)”指的是纳米线2.1的物理特性，而指标“out(外)”指的是纳米线2.2的物理特性。

测量的原理如下：

系统基于对两个彼此正对的纳米线的温度的同时测量。

在图4中能够看到设备的等效电路图：

气体环境被表现为链接两个纳米线的热阻，该热阻依赖于：

-测量设备的几何结构(热交换面积、纳米线之间的距离)，

-气体环境的参数，例如浓度、热导率、压强、温度等等。

R_thn为纳米线的热阻。在所考虑的示例中，两个纳米线的热阻相同。

纳米线2.1被电流偏置，借此纳米线2.1通过焦耳效应生成热功率。

回到图1的传感器的工作，纳米线2.1的温度为

该动态温度升高引起了纳米线2.1的电阻的动态变化，并且借此将纳米线2.1的末端处的电压写作：

$V_{{\mathrm{in}}_{3\mathrm{\ω}}}=R_{{\mathrm{in}}_0}{I}_{{\mathrm{in}}_0}\mathrm{TCR}.{\mathrm{\ΔT}}_{{\mathrm{in}}_0}\cos \left(3\mathrm{\ωt}\right)---\left(\mathrm{II}\right)$

在纳米线2.1中的热生成引起所产生的热量经由位于两个纳米线2.1、2.2之间的气体环境传递到与纳米线2.1正对的纳米线2.2上。

在该说明中，仅考虑热传导而忽略对流和热辐射交换现象。

气体的热阻值能够写作：

$R_{{\mathrm{th}}_{\mathrm{gaz}}}=\frac{1}{k_{\mathrm{gaz}}}\mathrm{\γ}$

γ为以m^-1为单位的术语，该术语尤其取决于气体“阻抗”的尺寸以及媒介压强。

因为纳米线2.1的温度以2ω的角频率变化，所以纳米线2.2的温度以2ω的角频率变化。

纳米线2.2中的温度变化被写作：

${\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{out}}={\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{in}}\frac{R_{{\mathrm{th}}_n}}{R_{{\mathrm{th}}_n}+R_{{\mathrm{th}}_{\mathrm{gaz}}}}---\left(\mathrm{III}\right)$

其中，为纳米线的热阻。

纳米线的材料和尺寸被选择为使得纳米线2.2中的温度变化能够根据关系式(III)被写作：

${\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{out}}\widetilde{=}{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{in}}\frac{R_{{\mathrm{th}}_n}}{R_{{\mathrm{th}}_{\mathrm{gaz}}}}---\left(\mathrm{IV}\right)$

纳米线2.2中的温度变化另一方面与气体的热导率变化成正比。

纳米线2.2的电阻变化具有2ω的角频率，该电阻变化取决于温度；该电阻变化被写作：

${\mathrm{\ΔR}}_{\mathrm{out}}=\mathrm{TCR}.R_{\mathrm{out}}{\mathrm{\ΔT}}_{{\mathrm{out}}_0}[1+\cos \left(2\mathrm{\ωt}\right)]---\left(V\right)$

纳米线2.2还被偏置以使能够对纳米线2.2的末端处的电压变化的幅度进行测量。有利地，纳米线2.2的偏置电流为直流电流。一方面，这使得能够避免激励信号与检测信号之间的任何串扰现象，这是因为所生成的信号以不同的频率(纳米线内(in)的信号为3f，纳米线外(out)的信号为2f)变化，这使得检测被简化。纳米线2.2的末端处的电压变化还具有2ω的角频率，其中，角频率为2ω的该变化就温度进行通知，并且被写作：

$V_{\mathrm{out}}=(R_{\mathrm{out}}+\mathrm{\Δ}{R}_{\mathrm{out}})I_{{\mathrm{out}}_0}---\left(\mathrm{VI}\right)$

纳米线2.2的末端处的电压变化的角频率为2ω的部分等于：通过回溯关系式(V)，

$V_{{\mathrm{out}}_{2\mathrm{\ω}}}=I_{{\mathrm{out}}_0}\mathrm{TCR}.R_{\mathrm{out}}{\mathrm{\ΔT}}_{{\mathrm{out}}_0}\cos \left(2\mathrm{\ωt}\right)---\left(\mathrm{VII}\right)$

因此，根据关系式(II)和(VII)：

$\frac{\left|V_{{\mathrm{out}}_{2\mathrm{\ω}}}\right|}{\left|V_{{\mathrm{in}}_{3\mathrm{\ω}}}\right|}=\frac{R_{\mathrm{out}}{I}_{{\mathrm{out}}_0}{\mathrm{\ΔT}}_{{\mathrm{out}}_0}}{R_{\mathrm{in}}{I}_{{\mathrm{in}}_0}{\mathrm{\ΔT}}_{{\mathrm{in}}_0}}---\left(\mathrm{VIII}\right)$

并且因为 ${\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{out}}\widetilde{=}{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{in}}\frac{R_{{\mathrm{th}}_n}}{R_{{\mathrm{th}}_{\mathrm{gaz}}}}---\left(\mathrm{IV}\right),$ 通过设定 $K=\frac{R_{\mathrm{out}}{I}_{{\mathrm{out}}_0}}{R_{\mathrm{in}}{I}_{{\mathrm{in}}_0}},$

这从关系式(VIII)获得，并且能够写作：

$\frac{\left|V_{{\mathrm{out}}_{2\mathrm{\ω}}}\right|}{\left|V_{{\mathrm{in}}_{3\mathrm{\ω}}}\right|}=K\frac{R_{{\mathrm{th}}_n}}{R_{{\mathrm{th}}_{\mathrm{gaz}}}}$

$R_{{\mathrm{th}}_{\mathrm{gaz}}}=K{R}_{{\mathrm{th}}_n}\frac{\left|V_{{\mathrm{in}}_{3\mathrm{\ω}}}\right|}{\left|V_{{\mathrm{out}}_{2\mathrm{\ω}}}\right|}$

该传导率测量模式使得由于环境导致的漂移对材料阻率的影响能够被消除。这些变化在测量以下比率时得到补偿

$\frac{\left|V_{{\mathrm{out}}_{2\mathrm{\ω}}}\right|}{\left|V_{{\mathrm{in}}_{3\mathrm{\ω}}}\right|}=K\frac{R_{{\mathrm{th}}_n}}{R_{{\mathrm{th}}_{\mathrm{gaz}}}}$

通过测量纳米线2.1和2.2的末端处的电压能推导出两个纳米线之间的气体热阻的变化，气体环境的热导率能够得到确定并因此能够推导出气体环境的浓度或压强。该确定与外部环境的变化，例如温度变化，无关。

对于具有一个纳米线的测量设备，有利地能够通过在检测纳米线2.2中注入角频率为2ω-Δω的电流来实现外差测量。因此，在检测纳米线2.2中生成的电信号具有依赖于温度的分量Δω。

具有一个或更多动态工作的纳米线的热流传感器能够被用于制作测量气体浓度的TCD传感器或者测量压强的皮拉尼规。使传感器具有高性能的压强范围取决于分隔纳米线的距离的值。例如，对于120nm的距离，传感器的灵敏范围从大约1mBar至大约100Bar。在皮拉尼规的情况下，分隔两个纳米线2.1、2.2的距离g的值的选择使得传感器所能够达到的压强范围被确定。

在图5中能够看到根据本发明的测量设备的另一示例性实施例，该测量设备包括并排悬挂在支撑件上并且基本上彼此平行的三个纳米线201.1、201.2、201.3。每个纳米线与直接相邻的纳米线之间的距离为g。作为一个变型，能够想到纳米线之间并非相隔相同的距离。

每个纳米线202.1、202.2、202.3的锚定点分别标为A和C、B和D、E和F。

纳米线能够具有激励功能或检测功能。

在一个示例中，位于纳米线202.1和202.3之间的纳米线202.2为激励纳米线，并且纳米线202.1和202.3形成检测纳米线。借此可以通过在中间的纳米线202.2上施加激励信号并且与使用纳米线202.1和202.3中的每个所获得的测量值相结合来执行差分测量。

为了简单起见，并未示出连接到每个纳米线上的偏置装置以及检测装置。

在另一示例中，纳米线202.1和202.3形成激励纳米线，并且纳米线202.2形成检测纳米线。该设备使得中间纳米线202.2的温度变化的幅度被增大。

在另一示例中，两个末端纳米线202.1或202.3之一被用作激励纳米线并且另一末端纳米线202.3或202.1与中间纳米线被用作检测纳米线。

在图6中能够看到另一示例性实施例，其中，设备包括彼此平行放置并且两两相隔距离为g的n个纳米线，n为严格大于1的正整数，参照图1至5已经对n＝1、n＝2和n＝3的情况进行了说明。

有利地，传感器被用于放置在通道中以使得n个纳米线被放置在流体通道的宽度内。

在一个有利的示例中，设备包括在平面中以激励纳米线和检测纳米线交替并排放置的n个简单的纳米线。激励纳米线并联连接，并且检测纳米线并联连接，借此获得分辨率增大的传感器。

随后，对大量的样本求空间噪声的平均值，实际上使得噪声以一因子减小。这样的实施方式还使得激励纳米线与检测纳米线之间的交换区域增大。

从噪声的角度看并且仍然假设每个纳米线中流过相同的电流，n个阻抗的并联在保持相同的有用信号的同时通过减小阻值使得约翰逊噪声(Johnsonnoise)以及闪烁噪声减小。

并联连接能够使用由至少两个金属化层制作的交叉连接来实现。

进一步极其有利地，这样的测量设备能够允许对媒介中的热交换进行表征，例如，确定通道宽度内的温度曲线。

在图7A中，n个纳米线中每个的温度T根据纳米线在图7B中的通道Ca中的横向位置y来概括地表示。位于中间的标为n_ex的纳米线形成激励纳米线，并且标为n_d的纳米线形成检测纳米线。借此获得通道Ca内部的横向温度曲线。

该测量使得流体通道中的热传递得到表征，这是因为该测量给出了一条与气体的热交换有关的信息。

在图8A和8B中能够看到测量设备的另一示例性实施例，其中，纳米线分布在平行的多个层中并且因此分布在数个平面内。传感器因此扩展到三维中。

纳米线沿着通道的宽度和长度分布。通道Ca以横向截面视图表示。在此示例中，通道具有矩形截面。

例如，在图8A中，激励纳米线是标为n_ex的中间纳米线，另外的纳米线n_d是检测纳米线。该配置使得能够对沿着通道的宽度和高度的热交换进行表征。

在图8B中，外围纳米线n_ex形成激励纳米线，并且中间纳米线n_d形成检测纳米线。因此，中间纳米线n_d中的温度变化的幅度增大。

应当理解，图8A至8B的布置以非限定示例的方式给出，并且其他布置和/或激励纳米线和检测纳米线的数量也在本发明的范围内。例如，纳米线能够分布为围绕中间纳米线的冠形，因此冠形的全部纳米线与中间纳米线等距。

在图9A至9D中能够看到根据本发明的热流测量设备的示例性实施例，该热流测量设备包括一个或更多第一类型的悬挂元件，即形成激励和检测元件的悬挂元件，以及恒温质量块。

在图9A中能够看到位于纳米线2.1两侧的恒温质量块M1和M2围绕纳米线2.1。恒温质量块被用于增进由纳米线2.1产生的热量的移除。例如，这些质量块处于测量设备的支撑件的温度下。

在图9B中能够看到图9A的设备的截面视图，在此示例中，恒温质量块由处于支撑件的温度下的硅图案形成，这些图案与纳米线2.1同时制成。

在图9C中能够看到一个示例性设备，该设备包括仅为第一类型的n个悬挂元件2.1，以及插入到纳米线之间的n+1个恒温质量块M1至M_n+1，使得每个纳米线周围有两个质量块。在所示示例中，n为3。

每个纳米线被链接到相同频率或不同频率下的交变电流源上，交变电流源的强度通过焦耳效应提供相应纳米线的加热。

恒温质量块处于支撑件的温度下的实施方式使得由支撑件形成的恒温器与恒温质量块和纳米线之间的交换面积增大，并且由此与气体之间的交换增大，从而导致测量设备的灵敏度提高。

在图9D中，设备包括n个第一类型的悬挂元件2.1以及n+1个处于支撑件温度下的恒温质量块M1至M_n+1。n个第一类型的元件通过在第二金属化层中形成的连接件40并联连接。在所示示例中，n等于3。应当理解，n能够为任何数。

在此对根据本发明的制造传感器的一个示例性方法进行说明。

在图10A至10H中能够看到制造方法的各个步骤的概括表示。

在所述示例中，图10A中表示使用SOI(Silicon On Insulator，绝缘体上硅)。SOI衬底包括硅层26、单晶硅层28，这两层26、28由SiO₂层30分隔。单晶硅层28形成正面。

在第一步骤期间，SiO₂氧化层32被沉积在层28上。图10B中示出了所产生的元件。

在下一步骤期间，位于氧化层30与氧化层32之间的硅层28例如使用硼进行P++掺杂。

通过氧化层的掺杂使得层28中的掺杂物的分布更加均匀。所获得的掺杂大约为1.10¹⁹at./cm³(原子/立方厘米)。该掺杂的效果是使得硅的电阻率的温度系数最大化。

图10C中示出了所产生的元件。掺杂由点表示。

在下一步骤期间，移除氧化层32并沉积树脂层33，其中，使用光刻法在树脂32中限定图案的轮廓，例如，深紫外(DUV)光刻法或者混合DUV以及电子束(e-beam)光刻法。这些光刻方法是本领域的技术人员公知的并且不再进行详述。电子束光刻法允许避免与刻蚀纳米设备中的光折射相关的效应。

图10D中示出了所产生的元件。

在下一步骤期间，例如使用各向异性RIE(Reactive Ion Etching，反应离子刻蚀)来刻蚀硅层。

图10E中示出了所产生的元件。

在下一步骤期间，在所刻蚀的硅层28上执行SiO₂化学沉积34，该SiO₂化学沉积34随后被刻蚀(例如，等离子刻蚀)以限定电接触点的位置36。

图10F中示出了所产生的元件。

随后，电接触点38通过例如喷溅沉积来沉积例如铝来制作。

图10G中示出了所产生的元件。

在下一步骤期间，例如通过使用例如氢氟酸蒸汽对层30进行刻蚀来释放纳米线。

图10H中可以看到所释放的结构。

根据本发明的热流传感器允许制作气体浓度传感器或者皮拉尼传感器，所制作的气体浓度传感器或皮拉尼传感器与外部环境的诸如温度变化之类的参数的变化无关。

该传感器尤其适于与气体色谱微柱(chromatography micro-column)相关联。一个或更多传感器在微柱的出口处被串联连接放置在通道中并且使得能够检测分析物峰(analyte peaks)。

Claims (15)

1.一种热流传感器，包括：悬挂到支撑件上的至少两个元件，至少两个悬挂元件由支撑件上的n个第一悬挂元件(2、2.1、202.1)以及包括m个第二悬挂元件的m个第二元件形成，n为严格大于1的正整数，m为严格大于0的正整数，每个第一悬挂元件(2、2.1、202.1)都由导电材料制成，用于使每个第一悬挂元件(2、2.1、202.1)偏置的第一装置(6、6.1)，以及用于测量每个第一悬挂元件(2、2.1、202.1)的末端处的电压的变化幅度的第一装置(8、8.1)，每个第一悬挂元件(2、2.1、202.1)由至少一个纳米线形成，并且所述第一偏置装置(6、6.1)由交变电流源形成，所述交变电流源的强度通过焦耳效应提供每个第一悬挂元件(2、2.1、202.1)的加热，每个第二悬挂元件包括用于使每个第二悬挂元件(2.2、202.2)偏置的第二装置(6.2)以及用于测量每个第二悬挂元件(2.2、202.2)的末端处的电压的变化幅度的第二装置(8.2)，所述第二偏置装置(6.2)由频率与所述第一偏置装置的频率不同的交变电流源形成或者由直流电流源形成。

2.根据权利要求1所述的热流传感器，其中，m为大于或等于1的正整数，其中，每个第二元件由至少一个纳米线形成，所述第二元件基本上与所述第一悬挂元件(2.2、202.2)平行并且与所述第一悬挂元件(2.2、202.2)相距给定距离(g)，并且其中，所述用于测量每个第二悬挂元件(2.2、202.2)的末端处的电压的变化幅度的第二装置(8.2)使得能够推导出从第一悬挂元件传递到第二悬挂元件的热量。

3.根据权利要求1或2所述的热流传感器，其中，所述n个第一悬挂元件(202.3)被设置为基本上彼此平行。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的热流传感器，其中，所述m个第二悬挂元件基本上彼此平行。

5.根据权利要求3和4所述的热流传感器，其中，用于使所述n个第一悬挂元件分别偏置的第一装置与用于使所述m个第二悬挂元件偏置的第二装置(6.2)是公用的。

6.根据权利要求3或4所述的热流传感器，其中，所述第一悬挂元件被m个第二悬挂元件包围，和/或所述第二悬挂元件被n个第一悬挂元件包围。

7.根据权利要求3和4或5所述的热流传感器，其中，所述n个第一悬挂元件和所述m个第二悬挂元件分布在一个平面内或者多个平行平面内。

8.根据权利要求1或3所述的热流传感器，包括链接到所述支撑件上的至少两个热质量块，所述热质量块被设置在所述第一悬挂元件的两侧。

9.根据权利要求8所述的热流传感器，包括n个第一悬挂元件和n+1个热质量块，n大于或等于2，所述n+1个热质量块被放置为使得每个第一元件被两个质量块包围。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的热流传感器，其中，所述第一悬挂元件或第二悬挂元件(2)的宽度、长度和厚度分别介于10nm和1μm之间、1μm和100μm之间以及10nm和1μm之间。

11.根据权利要求1至10中任一项与权利要求3或4相结合所述的热流传感器，其中，分隔两个悬挂元件的所述距离(g)介于50nm和10μm之间。

12.根据权利要求1至11中任一项结合权利要求2所述的热流传感器，其中，所述热流传感器包括由m个第二悬挂元件包围的第一悬挂元件并被放置在通道(Ca)中，所述悬挂元件被平行于所述通道(Ca)的轴放置以确定所述通道(Ca)内的气体中的横向热交换。

13.一种用于确定气体环境的浓度的系统，包括：至少一个根据权利要求1至12中任一项所述的热流传感器；用于对所述热流传感器传递的电压值进行处理的电子器件。

14.一种用于确定气体环境中的压强的系统，包括：至少一个根据权利要求1至12中任一项所述的热流传感器；用于对所述热流传感器传递的电压值进行处理的电子器件。

15.一种用于对气体或气体混合物进行分析的设备，包括气体色谱柱和至少一个根据权利要求13所述的用于确定浓度的系统，所述确定系统被放置在通道中，所述通道连接到所述气体色谱柱的输出端。