CN208013122U - 一种对流量不敏感的微型热导检测器 - Google Patents
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Abstract
一种对流量不敏感的微型热导检测器，属于微电子机械系统领域。在硅基底背面蚀刻“总分总”形式的微通道作为气流通道，在硅基底正面采用蚀刻技术将硅基底贯穿形成两个微长方体热导池，同时形成位于硅基底正面的网状支撑膜及其上的热敏电阻并悬挂于热导池上方，最后硅基底分别与玻璃盖板及玻璃衬底键合完成制作。该结构实现了气流通道与热敏电阻非共平面设计，并结合分支形式的微通道布置，实现气流通道与热导池的半扩散式设计，大大减小了气体流量波动对于热导检测器工作性能的影响，并同时兼顾了响应速度的要求。此外，非共平面设计避免了传统设计中通道对于电路集成的干扰，使得在硅基底正面直接集成电桥及相关电路变得简单易行。
Description
技术领域
本实用新型涉及微电子机械系统领域，具体是一种对流量不敏感的微型热导检测器的设计，可广泛应用于各种混合气体的分析。
背景技术
热导检测法是最早应用于气体检测的一种方法，该方法是利用热导检测器中热敏电阻的温度随被测气体体积分数改变而发生相应变化这一特性，实现对不同气体体积分数检测的。热导检测器具有装置简单、价格便宜等优点，并且由于它对几乎所有气体都有响应，是一种通用型检测器，故广泛应用于气体分析领域。
传统热导检测器存在检测灵敏度低、误差大、体积大及重量大等诸多问题，严重限制了其应用范围，随着MEMS(Micro-electro-mechanical-system)技术的发展，采用MEMS加工技术设计制作的微型热导检测器使其体积、重量减小，功耗降低，工作性能也得到了极大改善。不过，在目前的热导检测器设计方案中，仍然存在以下问题：
1、目前的微型热导检测器设计中，几乎完全采用直通式结构，即气体直接流过热导池，这样的设计虽然保证了响应速度，但同时使得热导检测器对于流量十分敏感，流量波动会对其工作性能产生较大的不利影响，且由于气流对于已有设计中悬挂支撑膜的直接冲击，使得支撑膜稳定性变差，容易损坏。传统热导检测器设计中虽有扩散式结构出现，却由于加工工艺的局限性，较大地牺牲了响应速度，实际中应用较少。
2、目前的微型热导检测器设计中，采用直通式结构还使得气流通道完全贯穿与热敏电阻共同所在的硅基底表面，使得对于在硅基底表面进行惠斯通电桥及相关电路的连接变得较为困难，而一般只能选择将电路连接在硅基底之外。
为了获得电路布置更为简化同时兼顾响应速度要求与流量波动影响的性能更优异的微型热导检测器，上述问题应该为本领域研究人员解决或优化的关键技术问题。
实用新型内容
鉴于上述所提到的问题，本实用新型提出了一种对流量不敏感的微型热导检测器设计，目的在于实现微型热导检测器更加简化的电路布置、兼顾响应速度与流量波动影响的工作性能及其它有益效果。本实用新型的具体技术方案如下：
一种对流量不敏感的微型热导检测器，其特征在于，包括：硅基底(1)、上玻璃盖板(2)、下玻璃衬底(3)，下玻璃衬底(3)与硅基底(1)的背面即下端面键合在一起，上玻璃盖板(2)与硅基底(1)的正面即上端面键合在一起；
硅基底(1)设有两个长方体微型热导池(12)，两个长方体微型热导池(12)为腔体结构，上下贯通硅基底(1)上下端面，且两个长方体微型热导池(12)沿长度方向在同一直线上；
在硅基底(1)背面即下端面针对每个长方体微型热导池(12)蚀刻有一个气体入口通道、一个入口分流通道、多个分支通道、一个出口汇流通道、一个气体出口通道，形成“总分总”式的气体通道；一个入口通道与一个入口分流通道连通，入口分流通道长度方向与长方体微型热导池(12)长度方向平行，出口汇流通道与入口分流通道平行，分支通道为直线型分支通道，多个分支通道并行，分别与入口分流通道、出口汇流通道垂直且连通，多个分支通道均穿过所对应的长方体微型热导池(12)下部，并与长方体微型热导池(12)长度方向垂直；出口汇流通道与气体出口通道连接，在连接处出口汇流通道长度方向与气体出口通道长度方向垂直；
两个长方体微型热导池(12)的气体通道，排布呈中心面对称，一个气体通道作为待测气体通道，另一个作为参考气体通道；
在硅基底(1)正面即上端面每个长方体微型热导池(12)上端口均固定设有两个网状支撑膜(13)，每个网状支撑膜(13)上表面沉积有一个热敏电阻(14)；热敏电阻(14)为多段折形结构并排串联形成平面状结构，即热敏电阻(14)通过网状支撑膜(13)悬挂于长方体微型热导池(12)上端口上；每个热敏电阻(14)的两端均连接有电极引线(15)，电极引线(15)位于硅基底(1)正面表面上；每个长方体微型热导池(12)上端口内的两个热敏电阻(14)沿长方体微型热导池(12)长度方向排列，在硅基底(1)上设有的四个热敏电阻(14)依次形成R1、R4、R2、R3四个电阻，四个电阻由电极引线(15)连接，并在硅基底(1)正面边缘处设置电极焊盘(16)。
R1、R4在一个长方体微型热导池(12)的上端口，R2、R3在另一个长方体微型热导池(12)的上端口；两个热导池中共计四个热敏电阻(14)构成惠斯通电桥的四个桥臂，并且电桥电路直接由电极引线(15)在硅基底(1)正面的绝缘层上连接完成。
进一步优选入口通道和入口分流通道连接处长度方向是垂直的，在入口分流通道正对入口通道的侧壁上设有截面为扇形的凹槽(11)。
进一步优选热敏电阻(14)凸出网状支撑膜(13)正面，所对应的在上玻璃盖板(2)上设有凹槽用于匹配热敏电阻(14)。
所述硅基底(1)分别与上玻璃盖板(2)、下玻璃衬底(3)静电键合。
所述入口分流通道宽度小于出口汇流通道宽度，气体入口通道宽度等于气体出口通道宽度，单个通道的分支通道有4个，且宽度在通道中最小，2个边缘的分支通道对应位于热导池边缘，4个分支通道间隔相等并排布置，并且对于气体入口、出口通道位置对称。
所述硅基底(1)正面蚀刻的贯穿硅基底(1)的微长方体热导池(12)，其下部与分支通道相通，流道布置与热导池形成半扩散式设计。微长方体热导池(12)宽度为每个分支通道宽度2～4倍。
所述单个微型热导池(12)上方布置两个网状支撑膜(13)及其上的热敏电阻(14)，两个热敏电阻(14)相对于下方气流方向为平行布置。
所述单个网状支撑膜(13)具有4条支撑梁，其中电极引线(15)与热敏电阻(14)在两条长支撑梁表面实现连接，两条短支撑梁用以辅助支撑，提高稳定性。热敏电阻(14)以直角折线形式蛇形布置于网状支撑膜(13)之上，且在微加工过程中热敏电阻(14)被溅射沉积在网状支撑膜(13)的氮化硅层表面。网状支撑膜(13)采用复合膜，下层为合适厚度的单晶硅层与氧化硅，上层与热敏电阻(14)连接的为氮化硅，热敏电阻(14)为电阻率高、电阻温度系数大的Pt薄膜电阻。
如上所述，本实用新型提供的一种对流量不敏感的微型热导检测器具有以下有益效果：
1、硅基底背面蚀刻的“总分总”形式的微通道中分支通道与热导池下方相通，微长方体热导池贯穿硅片，而网状支撑膜及热敏电阻位于热导池上方即硅片正面，同时热导池宽度为分支通道宽度2～4倍，该结构实现了气流通道与热敏电阻的非共平面设计，以及气流通道与微长方体热导池半扩散式设计，大大减小了气体流量及压力波动对于热导检测器工作性能的影响，同时4条窄分支通道的设计及与热导池的位置布置保证了热导检测器对于响应速度的要求。
2、入口分流通道宽度小于出口汇流通道，使气体可以平稳流出微通道，以免在出口处形成滞留或者反流。入口分流通道内正对气流入口位置的扇形凹穴的布置，有助于使气体平稳分流及流出。
3、单个热导池中两个热敏电阻相对于下方气流方向平行布置，避免了一般直通式设计中气流经过上游热敏电阻被加热而经过下游热敏电阻时换热量减小而造成的不利影响。热敏电阻被溅射沉积在网状支撑膜的氮化硅层表面，保证了良好的绝热绝缘效果。
4、非共平面设计规避了一般直通式设计的缺点，解放了硅基底正面，使微型热导检测器电桥及相关电路可以由电极引线直接在硅基底正面的绝缘层上连接完成，更为简化。
附图说明
图1所示为本实用新型微型热导检测器硅基底背面结构示意图。
图2所示为本实用新型微型热导检测器硅基底正面结构示意图，其中两个热导池中共计四个热敏电阻构成惠斯通电桥的四个桥臂。
图3所示为本实用新型微型热导检测器整体结构剖面示意图。
图4所示为本实用新型微型热导检测器网状支撑膜及热敏电阻示意图。
图5所示为微型热导检测器电桥电路示意图。
图6所示为本实用新型微型热导检测器的加工步骤示意图。
图7所示为本实用新型微型热导检测器三维结构示意图。
图中标号说明：
硅基底1，上玻璃盖板2，下玻璃衬底3，待测气入口通道4，待测气出口通道5，参考气入口通道6，参考气出口通道7，入口分流通道8，出口汇流通道9，分支通道10，扇形凹穴11，微型热导池12，网状支撑膜13，热敏电阻14，电极引线15，电极焊盘16。
具体实施方式
本实用新型提供了一种对流量不敏感的微型热导检测器，其核心思想是：通过分别在硅基底的正面和背面加工带有热敏电阻的网状支撑膜与“总分总”形式的微通道，实现其非共平面设计，同时微长方体热导池贯穿硅基底，其下部与分支通道相通，实现了气流通道与热导池的半扩散式设计，整体结构在保证了微型热导检测器对响应速度的要求外，大大减小了气体流量和压力波动对于工作性能的影响。同时由于硅基底正面没有微通道的存在，使得在其上进行电桥及相关电路的连接更为简单易行。这种设计的微型热导检测器，目前在国内外尚未见报导。
下面结合附图并举实施例，对本实用新型进行详细描述。
如图3所示，一种对流量不敏感的微型热导检测器，整体结构包括硅基底1、带有凹槽的玻璃盖板2及玻璃衬底3。其中，如图1所示，硅基底1的背面集成有“总分总”形式的微通道，包括待测气入口通道4、待测气出口通道5、参考气入口通道6、参考气出口通道7、入口分流通道8、出口汇流通道9、分支通道10、扇形凹穴11。如图2所示，硅基底1正面包括悬挂在贯穿硅基底1的微型热导池12上的网状支撑膜13、热敏电阻14、电极引线15及电极焊盘16。微型热导检测器的三维结构示意图如图7所示。
所述“总分总”形式的微通道的分支通道10与微型热导池12的下部相通，网状支撑膜13及其上的热敏电阻14悬挂于微型热导池12的上方，故气流通道与微型热导池12形成了半扩散式结构，即当分支通道10中的气体流过微型热导池12下部时，部分气体通过对流与扩散的方式到达微型热导池12上部与热敏电阻14接触并完成气体交换，避免了气流对于网状支撑膜13的直接冲击，微型热导池12宽度优选为0.4mm，为分支通道10宽度的2～4倍，整体结构在保证了微型热导检测器对响应速度的要求外，大大减小了流量和压力波动对于其工作性能的影响。
所述入口分流通道8宽度优选为0.4mm，小于出口汇流通道9的宽度优选为0.6mm，该设计使气体可以平稳流出微通道，不致在出口处形成气体滞留或者反流。
所述入口分流通道8内正对气流入口位置布置扇形凹穴11，有助于使气体平稳分流及流出。
所述单个微型热导池12中相对于气流方向平行布置两个热敏电阻14，这避免了一般直通式设计中气流经过上游热敏电阻被加热而经过下游热敏电阻时换热量减小而造成的不利影响。
所述硅基底1正面制作绝缘层，为1～2μm厚的LPCVD的氧化硅及0.1～0.4μm厚的LPCVD的氮化硅，网状支撑膜13的材料为氧化硅、氮化硅及少许未完全去除的硅，其中采用合理厚度的氧化硅、氮化硅使支撑膜内应力大大减小。热敏电阻14的形状为直角折线形式的蛇形结构，阻值优选为90欧姆，将热敏电阻14溅射沉积在网状支撑膜13的氮化硅层表面，保证了良好的绝热绝缘效果，具体结构如图4所示。
所述的网状支撑膜13设有两长两短共4个支撑梁悬挂于微型热导池12中，很好的增加了热隔离性，大大减小了热损及功耗。电极引线15通过两个长支撑梁与热敏电阻14连接，具体结构如图4所示。
所述的气流通道与热敏电阻14形成了一种非共平面设计，规避了一般直通式设计的缺点，解放了硅基底1正面，微型热导检测器电桥及相关电路由电极引线15直接在硅基底正面绝缘层上连接完成，并在边缘处设置电极焊盘16，整体更为简化。惠斯通电桥电路如图5所示，硅基底1正面的实际电桥连接如图2所示。
所述的一种对流量不敏感的微型热导检测器采用MEMS技术加工，其加工步骤示意图如图6所示，加工过程包括以下基本步骤：
(a)选用厚度0.4mm的硅片，清洗硅片，在硅片正面及背面分别热氧化一层300nm厚的氧化硅，该厚度氧化硅的存在仍能保证硅基底与玻璃的键合要求。
(b)制作包含电极焊盘16、电极引线15及网状支撑膜13的掩膜板a，利用上述掩膜板，以氧化硅及光刻胶作为掩膜，在硅片正面预图形化蚀刻1380nm深的凹槽。
(c)在凹槽内LPCVD一层1μm厚的氧化硅，LPCVD一层0.1μm厚的氮化硅，两层复合膜组成的功能层作为热电绝缘层及网状支撑膜的主要材料，蚀刻去除凹槽之外的LPCVD的氧化硅及氮化硅。制作Pt热敏电阻14的掩膜板b，以光刻胶作为掩膜，在硅片正面预蚀刻好的沟槽内的氮化硅表面，采用磁控溅射技术沉积20nm/150nm的Cr/Pt热敏电阻层。制作Au电极焊盘16、Au电极引线15的掩膜板c，以光刻胶作为掩膜，在硅片正面预蚀刻好的沟槽内的氮化硅表面，采用磁控溅射技术沉积30nm/250nm的Cr/Au电极层，并与热敏电阻层连接，此时在硅片正面除网状支撑膜外形成一个平滑的表面，保证后续键合的顺利进行，其中Cr层均作为黏接剂使用。
(d)制作微型热导池12的掩膜板d，以氧化硅及光刻胶作为掩膜，在硅片背面采用深反应离子蚀刻技术蚀刻微型热导池，第一步蚀刻深度为195μm。制作“总分总”形式微通道的掩膜板e，以氧化硅及光刻胶作为掩膜，在硅片背面采用深反应离子蚀刻技术蚀刻深度为200μm的微通道，同时将微型热导池又蚀刻200μm深度，其距硅基底正面留有5μm厚度。
(e)制作包含网状支撑膜13的微型热导池12的掩膜板f，以光刻胶作为掩膜，在硅片正面蚀刻释放网状支撑膜，微型热导池12及悬挂在微型热导池12中的网状支撑膜13制作完成。在Pyrex7740玻璃表面沉积一层Cr/Au层，利用微型热导池12的掩膜板d，以Cr/Au层结合光刻胶作为掩膜，在Pyrex7740玻璃表面采用化学蚀刻形成深度100μm的凹槽，玻璃盖板2制作完成。同样在玻璃衬底3表面对应气体进、出口通道位置处蚀刻深度100μm的凹槽。采用静电键合技术将硅基底1分别与玻璃盖板2和玻璃衬底3键合，在气体进、出口通道位置处可连接0.3mm外径的不锈钢毛细管，从而完成微型热导检测器的制作。
本实用新型所述的加工方法，不同于以往的加工方法中，在硅片表面沉积介质层，将金属层置于其上，在最后键合前蚀刻去除介质层露出键合区域。而在本实施例的加工过程中，则从硅片表面向下加工，具体为在预图形化蚀刻好的沟槽中沉积介质层，并于其表面溅射沉积热敏电阻及电极金属层，从而在硅片表面形成一个平滑的表面，保证后续键合过程的顺利进行。
综上所述，以上仅为本实用新型的优选实施例，并非用于限制本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改及改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种对流量不敏感的微型热导检测器，其特征在于，包括：硅基底(1)、上玻璃盖板(2)、下玻璃衬底(3)，下玻璃衬底(3)与硅基底(1)的背面即下端面键合在一起，上玻璃盖板(2)与硅基底(1)的正面即上端面键合在一起；
硅基底(1)设有两个长方体微型热导池(12)，两个长方体微型热导池(12)为腔体结构，上下贯通硅基底(1)上下端面，且两个长方体微型热导池(12)沿长度方向在同一直线上；
在硅基底(1)背面即下端面针对每个长方体微型热导池(12)蚀刻有一个气体入口通道、一个入口分流通道、多个分支通道、一个出口汇流通道、一个气体出口通道，形成“总分总”式的气体通道；一个入口通道与一个入口分流通道连通，入口分流通道长度方向与长方体微型热导池(12)长度方向平行，出口汇流通道与入口分流通道平行，分支通道为直线型分支通道，多个分支通道并行，分别与入口分流通道、出口汇流通道垂直且连通，多个分支通道均穿过所对应的长方体微型热导池(12)下部，并与长方体微型热导池(12)长度方向垂直；出口汇流通道与气体出口通道连接，在连接处出口汇流通道长度方向与气体出口通道长度方向垂直；
两个长方体微型热导池(12)的气体通道，排布呈中心面对称，一个气体通道作为待测气体通道，另一个作为参考气体通道；
在硅基底(1)正面即上端面每个长方体微型热导池(12)上端口均固定设有两个网状支撑膜(13)，每个网状支撑膜(13)上表面沉积有一个热敏电阻(14)；热敏电阻(14)为多段折形结构并排串联形成平面状结构，即热敏电阻(14)通过网状支撑膜(13)悬挂于长方体微型热导池(12)上端口上；每个热敏电阻(14)的两端均连接有电极引线(15)，电极引线(15)位于硅基底(1)正面表面上；每个长方体微型热导池(12)上端口内的两个热敏电阻(14)沿长方体微型热导池(12)长度方向排列，在硅基底(1)上设有的四个热敏电阻(14)依次形成R1、R4、R2、R3四个电阻，四个电阻由电极引线(15)连接，并在硅基底(1)正面边缘处设置电极焊盘(16)。
2.按照权利要求1所述的一种对流量不敏感的微型热导检测器，其特征在于，R1、R4在一个长方体微型热导池(12)的上端口，R2、R3在另一个长方体微型热导池(12)的上端口；两个热导池中共计四个热敏电阻(14)构成惠斯通电桥的四个桥臂，并且电桥电路直接由电极引线(15)在硅基底(1)正面的绝缘层上连接完成。
3.按照权利要求1所述的一种对流量不敏感的微型热导检测器，其特征在于，入口通道和入口分流通道连接处长度方向是垂直的，在入口分流通道正对入口通道的侧壁上设有截面为扇形的凹槽(11)。
4.按照权利要求1所述的一种对流量不敏感的微型热导检测器，其特征在于，热敏电阻(14)凸出网状支撑膜(13)正面，所对应的在上玻璃盖板(2)上设有凹槽用于匹配热敏电阻(14)。
5.按照权利要求1所述的一种对流量不敏感的微型热导检测器，其特征在于，硅基底(1)分别与上玻璃盖板(2)、下玻璃衬底(3)静电键合。
6.按照权利要求1所述的一种对流量不敏感的微型热导检测器，其特征在于，入口分流通道宽度小于出口汇流通道宽度，气体入口通道宽度等于气体出口通道宽度，单个通道的分支通道有4个，且宽度在通道中最小，2个边缘的分支通道对应位于热导池边缘，4个分支通道间隔相等并排布置，并且对于气体入口、出口通道位置对称。
7.按照权利要求1所述的一种对流量不敏感的微型热导检测器，其特征在于，长方体微型热导池(12)宽度为每个分支通道宽度2～4倍。
8.按照权利要求1所述的一种对流量不敏感的微型热导检测器，其特征在于，单个微型热导池(12)上方布置两个网状支撑膜(13)及其上的热敏电阻(14)，两个热敏电阻(14)相对于下方气流方向为平行布置。
9.按照权利要求1所述的一种对流量不敏感的微型热导检测器，其特征在于，网状支撑膜(13)采用复合膜，下层为合适厚度的单晶硅层与氧化硅，上层与热敏电阻连接的为氮化硅；氧化硅厚度1～2μm，氮化硅厚度0.1～0.4μm。
10.按照权利要求1所述的一种对流量不敏感的微型热导检测器，其特征在于，所述单个网状支撑膜(13)具有4条支撑梁，其中电极引线(15)与热敏电阻(14)在两条长支撑梁表面实现连接，两条短支撑梁用以辅助支撑，提高稳定性；热敏电阻(14)以直角折线形式蛇形布置于网状支撑膜(13)之上，且在微加工过程中热敏电阻(14)被溅射沉积在网状支撑膜(13)的氮化硅层表面。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN108318525A (zh) * | 2018-04-08 | 2018-07-24 | 北京工业大学 | 一种对流量不敏感的微型热导检测器 |
| CN109752418A (zh) * | 2019-01-21 | 2019-05-14 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种微型热导气体传感器 |
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| CN108318525B (zh) * | 2018-04-08 | 2024-01-05 | 北京工业大学 | 一种对流量不敏感的微型热导检测器 |
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| CN109752418B (zh) * | 2019-01-21 | 2021-11-05 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种微型热导气体传感器 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |