CN111999338B

CN111999338B - 一种微型热导气体传感器

Info

Publication number: CN111999338B
Application number: CN202010714074.7A
Authority: CN
Inventors: 李铁; 王家钰; 王翊
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2020-07-22
Filing date: 2020-07-22
Publication date: 2022-07-22
Anticipated expiration: 2040-07-22
Also published as: CN111999338A

Abstract

本发明涉及一种微型热导气体传感器，包括下盖、以及与所述下盖气密性键合的上盖，所述下盖的上表面设有两个悬浮的热丝组件，其中，每个热丝组件连接一组焊盘；所述上盖的下表面上设有两组依次连接的第一浅槽气道、气道和第二浅槽气道，其中，两个气道分别与两个旁路测试腔室相连，所述两个旁路测试腔室所在的位置与两个所述热丝组件所在的位置相互对应。本发明可以对气体实现分流，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，能够有效降低气路流速波动产生的噪声。

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，特别是涉及一种微型热导气体传感器。

背景技术

热导检测器(Thermal ConductivityDetector，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，且温度T_f应大于温度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.DeGraaf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。2017年，C.J.Hepp等人报道了一种基于热流量传感器的μ-TCD，通过优化结构，输出信号可在一定流速范围内保持稳定，减小流速变化的影响。但对于不同热导率的气体，该方法适用的流速范围不同，因此仅适于分析热导系数相差较小的气体混合物，使其应用受到极大的限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种微型热导气体传感器，以使其对流速不敏感，降低气路流速波动产生的噪声。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种微型热导气体传感器，包括下盖、以及与所述下盖气密性键合的上盖，所述下盖的上表面设有两个悬浮的热丝组件，其中，每个热丝组件连接一组焊盘；所述上盖的下表面上设有两组依次连接的第一浅槽气道、气道和第二浅槽气道，其中，两个气道分别与两个旁路测试腔室相连，所述两个旁路测试腔室所在的位置与两个所述热丝组件所在的位置相互对应。

所述气道为直线气道或扇环气道。

所述扇环气道具有圆角化的弯角，所述弯角的角度范围为(0°，180°]。

所述旁路测试腔室包括扩散通道和测试腔室，所述测试腔室所在的位置与所述热丝组件的所在的位置相对应，所述扩散通道一端与扇环气道的内环侧壁或外环侧壁连通，另一端与所述测试腔室连通。

所述扩散通道和测试腔室的连接处设置有倒角。

所述热丝组件包括开设在所述下盖上表面的隔离槽、通过四个连接于下盖的支撑臂悬浮在所述隔离槽上方的复合膜以及设置在复合膜上的蛇形的隔离热丝。

所述隔离热丝与上盖表面之间的距离与所述第一浅槽气道和第二浅槽气道的深度相同。

两组所述焊盘分别靠近所述下盖上表面的一个边缘，所述边缘与所述上盖的第一浅槽气道或第二浅槽气道平行；两个所述热丝组件分别通过连接引线连接至两组所述焊盘。

所述上盖的下表面还设有四个上接口槽，所述四个上接口槽平分为两组，分别从上盖下表面的边缘凹入，每组内的两个上接口槽相互平行，所述每组依次连接的第一浅槽气道、气道和第二浅槽气道连通在两组上接口槽之间。

所述下盖的上表面上还设有与四个所述上接口槽位置对应的下接口槽，四个所述下接口槽平分为两组；每个下接口槽和与其位置对应的所述上接口槽共同形成一用于外接毛细管的毛细管接口。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明设计具有上盖和下盖，并通过玻璃浆料键合等方式实现上下盖的对准键合；同时本发明通过利用MEMS工艺等灵活的加工技术，在上盖内制作圆角化的弯角型微气道或直线气道、旁路测试腔室，以对气体实现分流，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，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是本发明一种弯角型微型热导气体传感器的结构立体图；

图2是本发明一种弯角型微型热导气体传感器的结构爆炸图；

图3是本发明一种弯角型微型热导气体传感器的结构侧视图，其中未示出毛细管；

图4是本发明中下盖的结构立体图；

图5是本发明中热丝组件的放大示意图；

图6是本发明中上盖的一种实施例的结构立体图；

图7是本发明中上盖的一种实施例的结构俯视图；

图8是本发明中上盖的另一种实施例的结构立体图；

图9是本发明中上盖的另一种实施例的结构俯视图；

图10是本发明中采用直线气道的实施例的上盖的结构立体图；

图11是本发明中采用直线气道的实施例的上盖的结构俯视图；

图12a-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

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

请参阅图1-9，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、两组焊盘12以及四个下接口槽13，其中，

两组焊盘12分别靠近下盖1上表面的一个边缘，下盖的边缘与上盖弯角型微气道中的第一浅槽气道22或第二浅槽气道24平行。两个所述热丝组件11分别通过连接引线14连接至两组所述焊盘12；

四个下接口槽13平分为两组，分别从下盖1上表面的两条相邻的边缘凹入，且两组下接口槽13间相互垂直，每组内的两个下接口槽13相互平行。

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、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，隔离槽111通过干法腐蚀或湿法腐蚀制作。

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，位于每两组上接口槽21之间且依次连通的第一浅槽气道22、扇环气道23和第二浅槽气道24，旁路测试腔室25与扇环气道23相连通。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。

值得一提的是，本实施方式中的扇环气道具有圆角化的弯角，该弯角的角度范围为[0°，180°]，该弯角的角度范围在45°～135°之间时效果最佳，本实施方式给出的是弯角为90°时的情况，因此两个毛细管接口3分别位于两条相邻的边缘，当弯角的角度小于45°时，两个毛细管接口3分别位于两条相对的边缘，当弯角的角度大于135°时，则两个毛细管接口3位于同一条边缘上。

当该角度为0°时，即气道为直线气道(见图10和图11)，此时，平分为两组的四个下接口槽13，分别从下盖1上表面的两条相对的边缘凹入，且两组下接口槽13之间相对设置，每组内的两个下接口槽13相互平行。上盖的四个上接口槽21与下盖的四个下接口槽13的位置对应，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、直线气道23和第二浅槽气道24，旁路测试腔室25与直线气道23相连通。

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；

旁路测试腔室25由扩散通道251和测试腔室252组成。测试腔室252与热丝组件11的位置相对应。测试腔室252与扩散通道251的连接处可设置倒角。

旁路测试腔室25与扇环气道23的内环侧壁或外环侧壁相连通，并可以选择不同的接入角度，以使弯角型微气道中的气体通过扩散通道251进入测试腔室252，从而避免了流动的气体直吹隔离热丝114；

具体来说，旁路测试腔室的位置有两种形式：一种是如图5、6所示的旁路测试腔室25，扩散通道与扇环气道的外环侧壁相连通；另一种是如图7、8所示的旁路测试腔室25’，扩散通道与扇环气道的内环侧壁相连通；

对于旁路测试腔室25而言，扩散气道的长度越长，流速不敏感性越好；反之，响应速度越快。扩散气道的宽度越宽，响应速度越快；反之，流速不敏感性越好；

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可采用硅衬底，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；且该金属薄膜电极表面上覆盖有一层电极钝化层)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。

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、扇环气道23、第二浅槽气道24和旁路测试腔室25的两侧涂覆键合胶条26，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、扇环气道23、第二浅槽气道24和旁路测试腔室25共同构成了测量通道，另一组第一浅槽气道22、扇环气道23、第二浅槽气道24和旁路测试腔室25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，以实现对测量通道内气体热导率的测量，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。

如图12a-k所示，本发明的弯角型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12a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上表面制作键合用的标记；

步骤b(如图12b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、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)方法在下盖的上表面镀上400nm的氮化硅薄膜作为电极钝化层，其中，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，并在湿法腐蚀中用作掩膜层；

步骤c(如图12c所示)：光刻刻蚀下盖上表面的复合膜和氮化硅钝化层，露出下接口槽腐蚀窗。

步骤d(如图12d所示)：采用湿法腐蚀下接口槽，使其深度为280μm。

步骤e(如图12e所示)：光刻刻蚀露出焊盘、隔离槽腐蚀窗。

步骤f(如图12f所示)：采用干法/湿法腐蚀制作隔离槽，释放悬浮的复合膜。

步骤g(如图12g所示)：选用厚度为1mm左右的双抛硅片(或玻璃片)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12h所示)：在上盖的下表面制作上接口槽、弯角型微气道、旁路测试腔室；

步骤i(如图12i所示)：在上盖的下表面使用丝网印刷的方式，在上接口槽、弯角型微气道、旁路测试腔室的两侧涂覆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12j所示)：利用上盖上表面和下盖表面的对准标记，将上、下盖对准，并在一定温度和压强下进行键合，以实现上、下盖的键合封装；

步骤k(如图12k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弯角型微型热导气体检测器芯片，最后使用耐高温且气密性良好的粘结剂，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，与弯角型微型热导气体检测器内部气路气阻匹配。

不难发现，本发明设计具有上盖和下盖，并通过玻璃浆料键合等方式实现上下盖的对准键合；同时本发明通过利用MEMS工艺等灵活的加工技术，在上盖内制作圆角化的弯角型微气道或直线气道、旁路测试腔室，以对气体实现分流，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，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。

Claims

1.一种微型热导气体传感器，包括下盖、以及与所述下盖气密性键合的上盖，其特征在于，所述下盖的上表面设有两个悬浮的热丝组件，其中，每个热丝组件连接一组焊盘；所述上盖的下表面上设有两组依次连接的第一浅槽气道、气道和第二浅槽气道，其中，两个气道分别与两个旁路测试腔室相连，所述两个旁路测试腔室所在的位置与两个所述热丝组件所在的位置相互对应；所述旁路测试腔室包括扩散通道和测试腔室，所述测试腔室所在的位置与所述热丝组件的所在的位置相对应，所述扩散通道为一条，其一端与所述气道的内侧壁或外侧壁连通，另一端与所述测试腔室连通。

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，所述气道为直线气道或扇环气道。

3.根据权利要求2所述的微型热导气体传感器，其特征在于，所述扇环气道具有圆角化的弯角，所述弯角的角度范围为(0°，180°]。

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，所述扩散通道和测试腔室的连接处设置有倒角。

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，所述热丝组件包括开设在所述下盖上表面的隔离槽、通过四个连接于下盖的支撑臂悬浮在所述隔离槽上方的复合膜以及设置在复合膜上的蛇形的隔离热丝。

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，所述隔离热丝与上盖表面之间的距离与所述第一浅槽气道和第二浅槽气道的深度相同。

7.根据权利要求1所述的微型热导气体传感器，其特征在于，两组所述焊盘分别靠近所述下盖上表面的一个边缘，所述边缘与所述上盖的第一浅槽气道或第二浅槽气道平行；两个所述热丝组件分别通过连接引线连接至两组所述焊盘。

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，所述上盖的下表面还设有四个上接口槽，所述四个上接口槽平分为两组，分别从上盖下表面的边缘凹入，每组内的两个上接口槽相互平行，所述每组依次连接的第一浅槽气道、气道和第二浅槽气道连通在两组上接口槽之间。

9.根据权利要求8所述的微型热导气体传感器，其特征在于，所述下盖的上表面上还设有与四个所述上接口槽位置对应的下接口槽，四个所述下接口槽平分为两组；每个下接口槽和与其位置对应的所述上接口槽共同形成一用于外接毛细管的毛细管接口。