CN109752418A - 一种微型热导气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型热导气体传感器，其包括：一下盖以及一与该下盖气密性键合的上盖，其中，所述下盖的上表面上设有：两个彼此相对设置的焊盘以及两个分别与两个所述焊盘连接且彼此相对设置的悬浮的热丝组件；所述上盖的下表面上设有：两组依次连通的第一浅槽气道、气体扩散腔和第二浅槽气道，其中，两个气体扩散腔分别与两个所述热丝组件的位置对应，且每个气体扩散腔中设有自所述上盖向下突起的隔离结构。本发明避免了流动的气体直吹热丝，从而使得整个微型热导气体传感器对流速不敏感，由此在无需进行后续补偿计算的情况下能够有效降低气路流速波动产生的噪声，进而实现高性能、功耗极低、体积极小的微型热导气体传感器。

Description

一种微型热导气体传感器

技术领域

本发明涉及一种气体传感器，尤其涉及一种基于气体导热系数不同实现气体浓度检测的微型热导气体传感器。

背景技术

热导检测器(Thermal Conductivity Detector，TCD)是一种非破坏性、物理的通用性检测器，它通过测量被测组分和载气的导热系数不同来实现气体浓度检测。热导检测器的操作原理、基本理论和响应特征在60年代就已经成熟。它基本对所有气体物质都有响应，且结构简单，性能可靠，定量准确，价格低廉，经久耐用。由于热导检测器是非破坏性的检测器，所以它还能与其他检测器联用。因此，热导检测器始终充满着旺盛的生命力，至今仍是应用最广的检测器。微型热导检测器(μ-TCD)是采用微机电系统(Micro-Eletro-Mechanical-System，MEMS)技术制造的热导检测器。由于采用MEMS加工技术，相比于传统的TCD传感器，μ-TCD具有体积小、精度高、一致性好、响应时间快等特点。

微型热导检测器通常包含两个气室通道，分别为测量通道和参比通道。微型热导检测器工作时，两个气室通道内的热丝处于高温的状态，且维持一定的温度T_f，微型热导检测器整体也保持在一定的温度T_d下，且T_f应大于T_d，以保证器件正常工作。微型热导检测器响应是一个热平衡的过程，在平衡状态下，悬浮热丝上所产生的热量与散失的热量相等。热丝的散热方式有四种：热丝周围气体热传导散热(Q_gas)；热丝周围气体热对流散热(Q_con)；热丝的热辐射散热(Q_rad)；热丝支撑膜的热传导散热(Q_solid)，其中，Q_gas是TCD对气体浓度响应的主要因素，Q_con是TCD对气体流速响应的主要因素。当其中某一散热方式的平衡被打破，便能引起热丝温度变化，，最终导致热丝的电阻阻值发生变化。

对于气体热传导散热Q_gas而言，可以通过以下公式计算：

其中，λ表示气体导热系数，单位是W/(m·K)；A表示热丝表面积；l表示传热长度；T_d表示微型热导检测器温度，T_f表示热丝温度。

气体通过热丝的上下两个面进行热传导，当载气(一般选择氢气或氦气)中目标气体浓度发生变化，混合气体的等效导热系数发生变化，气体带走的热量发生变化，热丝的温度就会发生变化。因此，提高Q_gas占整体散热的比例(例如可以通过直接提高Q_gas或降低Q_con、Q_rad和Q_solid的方式实现)，可以有效地提高μ-TCD对气体浓度的灵敏度。

对于气体热对流散热Q_con而言，可以通过以下公式计算：

Q_con＝h(T_f-T_g)A

其中，h表示对流平均传热系数，单位是W/(m²·K)；A表示热丝表面积；T_g为气流温度。

无论是强制对流还是自然对流，都可以采用上述公式，只是计算使用的平均传热系数，分别取强制对流平均传热系数和自然对流平均传热系数。显然，提高Q_con占整体散热的比例(例如可以通过直接提高Q_con或降低Q_gas、Q_rad和Q_solid的方式实现)，可以有效地提高μ-TCD对气体浓度的灵敏度。

近年来，由于便携式色谱仪的发展，μ-TCD作为小体积低功耗的检测器，也备受关注。2004年，J.A.Dziuban等人就报道了一种集成了μ-TCD的便携式气相色谱仪。然而正如上述介绍的工作原理，μ-TCD明显会收到色谱仪内部气流波动产生噪声，该噪声会同电路噪声一样，提高μ-TCD的检测限。2010年，B.Kaanta等人报道了一种分段式的μ-TCD，在测量气体浓度的同时，也能获得气体流速信息，通过补偿，可以滤除气体流速波动的噪声。2015年，G.De Graaf等人也报道了一种深浅槽结构的μ-TCD，热导池内并列放置了两个热丝，热丝分别悬浮在深槽和浅槽上。根据上述气体热传导公式，浅槽比深槽对气体浓度的变化更为灵敏，但两个热丝对气体流速的响应相当，虽然通过后续补偿，可以降低μ-TCD对气体流速波动噪声，但这种方式费时费力。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种微型热导气体传感器，以使其对流速不敏感，从而在无需后续补偿计算的情况下，降低气路流速波动产生的噪声。

本发明所述的一种微型热导气体传感器，其包括：一下盖以及一与该下盖气密性键合的上盖，其中，

所述下盖的上表面上设有：两个彼此相对设置的焊盘以及两个分别与两个所述焊盘连接且彼此相对设置的悬浮的热丝组件；

所述上盖的下表面上设有：两组依次连通的第一浅槽气道、气体扩散腔和第二浅槽气道，其中，两个气体扩散腔分别与两个所述热丝组件的位置对应，且每个气体扩散腔中设有自所述上盖向下突起的隔离结构。

在上述的微型热导气体传感器中，每个所述热丝组件包括：一开设于所述下盖上表面的隔离槽、一通过四个连接于所述下盖的支撑臂悬浮在所述隔离槽上方的复合膜以及一设置在该复合膜上的蛇形的隔离热丝。

在上述的微型热导气体传感器中，每个所述隔离结构包括：两个彼此间隔开且垂直于所述第一浅槽气道和第二浅槽气道的延伸方向设置的隔离体，该两个隔离体分别与一个所述隔离槽两侧的位置对应。

在上述的微型热导气体传感器中，每个所述隔离结构呈U型，且其开口朝向所述第二浅槽气道，该隔离结构所包围的区域与一个所述隔离槽的位置对应。

在上述的微型热导气体传感器中，两个所述焊盘分别邻近所述下盖上表面的两条相对的边缘的中间位置；两个所述热丝组件分别通过一连接引线连接至两个所述焊盘的中间位置。

在上述的微型热导气体传感器中，所述下盖的上表面还设有四个下接口槽，且该四个下接口槽平分为两组并分别从所述下盖上表面的另外两条相对的边缘凹入，且两组所述下接口槽相对设置。

在上述的微型热导气体传感器中，所述上盖的下表面上还设有四个分别与四个所述下接口槽位置对应的上接口槽，每组依次连通的第一浅槽气道、气体扩散腔和第二浅槽气道连通在每两个相对的所述上接口槽之间，每个所述上接口槽和与其位置对应的所述下接口槽共同形成一用于外接毛细管的毛细管接口。

在上述的微型热导气体传感器中，所述下盖采用硅制成；所述上盖采用玻璃或硅制成。

在上述的微型热导气体传感器中，所述上盖通过丝网印刷方式在各个所述第一浅槽气道、气体扩散腔和第二浅槽气道的两侧边缘涂覆键合胶条以与所述下盖气密性键合。

在上述的微型热导气体传感器中，所述下接口槽的深度与所述毛细管的壁厚一致，所述上接口槽的深度与所述毛细管的壁厚与内径之和一致。

由于采用了上述的技术解决方案，本发明设计具有上盖和下盖，并通过丝网印刷玻璃浆的方式实现上、下盖键合；同时本发明通过利用MEMS工艺灵活的体硅加工技术，在上盖内刻蚀具有半扩散或扩散隔离结构的微型气体腔，以对气体实现隔离分流，避免流动的气体直吹热丝，从而使得整个微型热导气体传感器对流速不敏感，由此在无需进行后续补偿计算的情况下能够有效降低气路流速波动产生的噪声，进而实现高性能、功耗极低、体积极小的微型热导气体传感器。

附图说明

图1是本发明一种微型热导气体传感器的结构立体图；

图2是本发明一种微型热导气体传感器的结构侧视图，其中未示出毛细管；

图3是本发明中下盖的结构立体图；

图4是图3中A处的放大示意图；

图5是本发明中上盖的一种实施例的结构立体图；

图6是本发明中上盖的一种实施例的结构俯视图；

图7是本发明中上盖的另一种实施例的结构立体图；

图8是本发明中上盖的另一种实施例的结构俯视图；

图9a-k分别是本发明在制造过程中各阶段的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

请参阅图1-8，本发明，即一种微型热导气体传感器，包括：下盖1以及与下盖1气密性键合的上盖2，其中：

下盖1的上表面上设有：两个悬浮的热丝组件11、两个焊盘12以及四个下接口槽13，其中，

两个焊盘12分别邻近下盖1上表面的两条相对的边缘的中间位置，且两个焊盘12相对设置；

两个热丝组件11分别通过连接引线14连接至两个焊盘12的中间位置，且两个热丝组件11相对设置；

四个下接口槽13平分为两组分别从下盖1上表面的另外两条相对的边缘凹入，且两组下接口槽13相对设置；

具体来说，每个热丝组件11具体包括：开设于下盖1上表面的隔离槽111(XeF₂腐蚀窗口)、通过四个连接于下盖1的支撑臂112悬浮在隔离槽111上方的复合膜113以及设置在复合膜113上的蛇形的隔离热丝114，其中，每个隔离槽111的深度范围为15-35μm；

上盖2的下表面上设有：四个分别与四个下接口槽13的位置对应的上接口槽21、位于每两个相对的上接口槽21之间且依次连通的第一浅槽气道22、与热丝组件11位置对应的气体扩散腔23和第二浅槽气道24，其中，

每个上接口槽21和与其位置对应的下接口槽13共同形成一个用于外接毛细管4的毛细管接口3；

第一浅槽气道22和第二浅槽气道24分别与相对的两个上接口槽21连通；

气体扩散腔23中设有自上盖2向下突起的隔离结构，以使气体绕过热丝组件11中的隔离热丝114，从而避免了流动的气体直吹隔离热丝114；

具体来说，隔离结构具有两种形式：一种是如图5、6中所示的半扩散隔离结构25，另一种是如图7、8中所示的扩散隔离结构25’，其中，

半扩散隔离结构25包括两个彼此间隔开且垂直于第一浅槽气道22和第二浅槽气道24的延伸方向设置的隔离体251，该两个隔离体251之间的距离与隔离槽111的尺寸一致，即，两个隔离体251分别与隔离槽111两侧的位置对应；

扩散隔离结构25’呈U型，且其开口朝向第二浅槽气道24，该扩散隔离结构25’所包围的区域的尺寸与隔离槽111的尺寸一致，即，扩散隔离结构25’所包围的区域与隔离槽111的位置对应；

对于半扩散隔离结构25而言，气体只能在其两侧进入隔离热丝114所在的腔体，而对于扩散隔离结构25’而言，气体只能在下游通过扩散进入隔离热丝114所在的腔体，因此，这两种形式的隔离结构都能够实现对隔离热丝114的优良的热隔离，区别仅在于，半扩散隔离结构25的响应速度更快，而流速不敏感性较好，而扩散隔离结构25’的响应速度一般，但流速不敏感性最佳。

在本发明中，上述上盖2可以采用任何易于加工槽的材料，例如硅、玻璃等等；上述下盖1采用硅衬底，以便于使用MEMS工艺制造悬浮的复合膜113(该复合膜113为由氮化硅与氧化硅构成的多层结构)、图形化的金属薄膜电极(其包括：被复合膜113支承悬浮的蛇形的隔离热丝114、焊盘12以及连接隔离热丝114和焊盘12的连接引线14；且该金属薄膜电极最终采用PECVD制作200nm厚度的氮化硅作为电极钝化层)和下接口槽13。同时，下盖1上的下接口槽13的深度与毛细管4的壁厚基本一致，从而可减小死体积。另外，隔离热丝114与上盖2表面之间的距离可以与第一浅槽气道22和第二浅槽气道24的深度相同，以方便上盖2的加工，该距离的范围也可以是15-35μm，以进一步提高微型热导气体传感器的灵敏度。

在本发明中，上述上盖2通过丝网印刷方式在各个上接口槽21、第一浅槽气道22、气体扩散腔23和第二浅槽气道24的两侧边缘涂覆键合胶条26(玻璃浆料)，从而实现与下盖1的气密性键合。上盖2的一组第一浅槽气道22、气体扩散腔23和第二浅槽气道24共同构成了气体测量通道，另一组第一浅槽气道22、气体扩散腔23和第二浅槽气道24共同构成了参比通道；工作时，这两个通道内的隔离热丝114可以接入惠斯通电桥，以实现对气体测量通道内气体组分的测量，同时可以有效降低气路流速波动产生的噪声，提高传感器的性能。同时，上盖2上的上接口槽21的深度与毛细管4的壁厚与内径之和基本一致，从而可减小死体积。另外，气体扩散腔23内气体流经的总截面积(即，图6或8中气体扩散腔23内两个双向箭头所表示的气道区域的截面积之和)与第一浅槽气道22和第二浅槽气道24内气体流经的截面积(即，图6或8中第一浅槽气道22内双向箭头所表示的气道区域的截面积)基本一致，且第一浅槽气道22和第二浅槽气道24的宽度与毛细管4的内径匹配，从而可降低死体积，并保障气阻一致。

如图9a-k所示，本发明的微型热导气体传感器的加工过程包括以下基本步骤：

步骤a(如图9a所示)：复合膜与对准标记的制作，包括：

选用厚度为0.4mm左右的双抛硅片制作下盖；

制作复合膜，包括：首先采用热氧化方式制作350nm厚度的氧化硅，再使用LPCVD(低压化学气相沉积)方法制作1000nm厚度的低应力氮化硅，随后采用LPCVD方法制作400nm厚度的TEOS(正硅酸乙酯)氧化硅，最后再使用LPCVD方法制作200nm厚度的低应力氮化硅；由此，该复合膜的整体厚度在2μm左右；

完成复合膜的制作后，通过光刻与反应离子束刻蚀方法在下盖的下表面制作键合与划片用的标记；

步骤b(如图9b所示)：金属薄膜电极与电极钝化层制作，包括：

使用Lift-off(金属剥离工艺)方法，在下盖上表面制作图形化的金属薄膜电极，用于制作隔离热丝(其电阻在100欧姆左右)、焊盘和连接引线；该金属薄膜电极的材料为“铂”，并采用“钛”作为黏附层，其厚度可以选用20nm/300nm的Ti/Pt方案；

在金属薄膜电极制作完成后，使用PECVD(等离子增强化学气相沉积)方法在下盖的上、下表面分别镀上200nm的氮化硅薄膜作为电极钝化层，其中，在下表面镀膜的作用是防止刻蚀的对准标记在后续的湿法腐蚀中被破坏；在上表面镀膜的作用是防止金属薄膜电极直接与气体接触，从而延长器件使用寿命；

步骤c(如图9c所示)：露出焊盘和所有腐蚀窗口，并采用氧化硅作为下接口槽腐蚀掩膜，包括：

光刻并采用反应离子束刻蚀方法在下盖上表面刻蚀复合膜和氮化硅的电极钝化层，露出所有的后续需要制作槽的腐蚀窗口，包括下接口槽13和隔离槽；

使用PECVD方法在下盖上表面镀厚度为1μm左右的氧化硅薄膜，并光刻刻蚀露出下接口槽腐蚀窗；

步骤d(如图9d所示)：以步骤c中的氧化硅为掩膜，进行TMAH湿法腐蚀下接口槽，使其深度为280μm，随后去除氧化硅掩膜；

步骤e(如图9e所示)：涂胶光刻露出XeF₂(氟化氙)腐蚀窗口，即隔离槽腐蚀窗，以用于释放悬浮在复合膜上的隔离热丝；

步骤f(如图9f所示)：以光刻胶为掩膜，进行XeF₂释放悬浮的复合膜，在保证成功释放的同时，将隔离槽的腐蚀深度控制在15-35μm，随后采用干法去除光刻胶；

步骤g(如图9g所示)：选用玻璃片(或双抛硅片)制作上盖，并在上盖的上表面制作键合与划片的标记

步骤h(如图9h所示)：在上盖的下表面制作上接口槽、第一浅槽气道、气体扩散腔、第二浅槽气道和隔离结构；

步骤i(如图9i所示)：在上盖的下表面使用丝网印刷的方式，在距离第一浅槽气道、气体扩散腔、第二浅槽气道100μm的位置涂敷宽度为150μm材质为玻璃浆料的键合胶条，随后通过热处理，去除玻璃浆料中的有机溶剂和水分；

步骤j(如图9j所示)：利用上盖上表面和下盖下表面的对准标记，将上、下盖对准，并在一定温度和压强下进行熔融键合，以实现上、下盖的键合封装；

步骤k(如图9k所示)：键合完成后，首先在上盖划片露出焊盘以方便后续芯片封装，随后在下盖划片得到单个的μ-TCD芯片，最后使用耐高温且气密性良好的环氧树脂胶，粘接外部的4个毛细管，该毛细管外径为标准的1/32”，具有很好的连接通用性，适用于大部分气路的直接连接，其内径为0.25mm，与μ-TCD内部气路气阻匹配。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种微型热导气体传感器，其特征在于，所述传感器包括：一下盖以及一与该下盖气密性键合的上盖，其中，

所述下盖的上表面上设有：两个彼此相对设置的焊盘以及两个分别与两个所述焊盘连接且彼此相对设置的悬浮的热丝组件；

所述上盖的下表面上设有：两组依次连通的第一浅槽气道、气体扩散腔和第二浅槽气道，其中，两个气体扩散腔分别与两个所述热丝组件的位置对应，且每个气体扩散腔中设有自所述上盖向下突起的隔离结构。

2.根据权利要求1所述的微型热导气体传感器，其特征在于，每个所述热丝组件包括：一开设于所述下盖上表面的隔离槽、一通过四个连接于所述下盖的支撑臂悬浮在所述隔离槽上方的复合膜以及一设置在该复合膜上的蛇形的隔离热丝。

3.根据权利要求1所述的微型热导气体传感器，其特征在于，每个所述隔离结构包括：两个彼此间隔开且垂直于所述第一浅槽气道和第二浅槽气道的延伸方向设置的隔离体，该两个隔离体分别与一个所述隔离槽两侧的位置对应。

4.根据权利要求1所述的微型热导气体传感器，其特征在于，每个所述隔离结构呈U型，且其开口朝向所述第二浅槽气道，该隔离结构所包围的区域与一个所述隔离槽的位置对应。

5.根据权利要求1所述的微型热导气体传感器，其特征在于，两个所述焊盘分别邻近所述下盖上表面的两条相对的边缘的中间位置；两个所述热丝组件分别通过一连接引线连接至两个所述焊盘的中间位置。

6.根据权利要求5所述的微型热导气体传感器，其特征在于，所述下盖的上表面还设有四个下接口槽，且该四个下接口槽平分为两组并分别从所述下盖上表面的另外两条相对的边缘凹入，且两组所述下接口槽相对设置。

7.根据权利要求6所述的微型热导气体传感器，其特征在于，所述上盖的下表面上还设有四个分别与四个所述下接口槽位置对应的上接口槽，每组依次连通的第一浅槽气道、气体扩散腔和第二浅槽气道连通在每两个相对的所述上接口槽之间，每个所述上接口槽和与其位置对应的所述下接口槽共同形成一用于外接毛细管的毛细管接口。

8.根据权利要求1所述的微型热导气体传感器，其特征在于，所述下盖采用硅制成；所述上盖采用玻璃或硅制成。

9.根据权利要求1所述的微型热导气体传感器，其特征在于，所述上盖通过丝网印刷方式在各个所述第一浅槽气道、气体扩散腔和第二浅槽气道的两侧边缘涂覆键合胶条以与所述下盖气密性键合。

10.根据权利要求7所述的微型热导气体传感器，其特征在于，所述下接口槽的深度与所述毛细管的壁厚一致，所述上接口槽的深度与所述毛细管的壁厚与内径之和一致。