CN209673693U - 一种机械密封式微型热导检测器 - Google Patents

Abstract

一种机械密封式微型热导检测器，属于微电子机械系统领域。通过中心开槽的有机玻璃盖板与有机玻璃底座的螺栓固接，将位于其间的硅胶垫片、玻璃片、橡胶密封圈、硅基底压紧整合形成热导检测器的气体通路及微型热导池，并通过背部空气腔、大小橡胶圈形成的空气腔、悬空薄层氮化硅支撑层的设计最大化减小热敏电阻热损。同时，单一热导池中热敏电阻梳状结构的交错布置方式保证了电桥对角臂热敏电阻温度一致；螺栓连接密封规避了高温高压键合过程。从而使微型热导检测器设计在具有低功耗、高精度性能的基础上，简化了加工工艺，提高了稳定性及坚固性，有效节约了加工成本，提高了经济效益。

Description

一种机械密封式微型热导检测器

技术领域

本实用新型涉及微电子机械系统领域，具体是一种机械密封式微型热导检测器的设计，可广泛应用于各种二元及多元混合气的分析。

背景技术

热导检测器作为独立的传感器元件或气相色谱仪尾端检测器被广泛应用于气体分析领域，其利用不同气体热导率的差异，使不同体积分数的混合气通过热导检测器的热敏电阻，根据热敏电阻达到的稳态温度不同实现对混合气体积分数的检测。热导检测器装置简单、价格便宜，并且其对几乎所有气体都有响应，因此被作为一种通用型检测器而广泛应用。

热导检测法是最早应用于气体检测的一种方法，但传统热导检测器检测灵敏度低、误差大，装置体积、重量大，其应用范围受到了一定的限制。随着微机电系统即MEMS(Micro-electro-mechanical-system)技术的发展，集成化、微型化、低功耗的热导检测器的设计加工得以实现，同时在测量灵敏度、精度方面有了明显提高，非常有效的发挥了热导检测器浓度型传感器的优势。不过，在目前已有的热导检测器设计方案中，仍然存在一些问题：

1、目前的微型热导检测器设计中，对于微加工的工艺复杂性考虑不足，设计较为理想化，尤其对于工艺加工中涉及到的键合步骤没有较好的解决办法，已有方案中绝大多数会在键合步骤之前将键合面的绝缘层等去除进行键合，但电极引线依然没有好的处理办法，需要多步骤的光刻及刻蚀工艺去解决，使得成本迅速上升，经济性较差。

2、目前的微型热导检测器设计中，将其作为一种辅助检测器使用较多，而若将其作为独立的气体传感器使用，则其稳定性及坚固性则略显不足，较易损坏，尤其一些悬臂梁的设计在得到有限的灵敏度提升的情况下，却极大增加了工艺复杂性和易损坏性。此外，以往设计中单个热导池中的2个热敏电阻均依次布置在气流流向的上下游，使得2个热敏电阻散热量出现差异，难以保证温度一致性，影响测量精度。

因此，如何利用微加工的优势，在实现热导检测器微型化、低功耗及高灵敏度的同时，尽量简化其加工工艺、节约成本并实现更强的稳定性及坚固性，应该作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机械密封形式微型热导检测器设计，目的在于在实现微加工带来的器件微型化、低功耗及高灵敏度的同时，结合传统机械密封的形式，简化其加工工艺，提高器件的稳定性、坚固性及其它有益效果。本实用新型的具体技术方案如下：

一种机械密封式微型热导检测器，其特征在于，包括：最上端的有机玻璃盖板(1)、最下端的有机玻璃底座(6)、中间的硅基底(15)，还包括大橡胶密封圈(21)、小橡胶密封圈(20)、上硅胶垫片(10)、下硅胶垫片(14)、上玻璃片(11)、下玻璃片(13)，通过有机玻璃盖板与有机玻璃底座的螺栓固接形成机械密封，完成检测器制作。

有机玻璃盖板(1)与有机玻璃底座(6)上均开设8个螺纹孔，利用固定螺栓(4)进行机械固定密封；有机玻璃盖板下表面加工有盖板开槽(2)，盖板开槽(2)内自上而下上硅胶垫片(10)与上玻璃片(11)依次置于其中；有机玻璃底座上表面加工底座开槽(7)，硅基底(15)、下玻璃片(13)及下硅胶垫片(14)自上而下依次置于其中；大橡胶密封圈(21)内放置两个小橡胶密封圈(20)，两个小橡胶密封圈(20)并排放置且与大橡胶密封圈(21)同平面；大橡胶密封圈(21)、小橡胶密封圈(20)位于上玻璃片(11)与硅基底(15)之间，机械密封后由两个小橡胶密封圈(20)、上玻璃片(11)与硅基底(15)三者围成的区域分别形成热导检测器的测量热导池和参考热导池；

有机玻璃底座(6)上表面加工有第一管道槽道(9)，硅基底(15)上表面加工有第二管道槽道(22)和第三管道槽道(23)，第二管道槽道(22)和第三管道槽道(23)长度轴向串通在一起与测量热导池或参考热导池连通，且第二管道槽道(22)宽度方向的尺寸大于第三管道槽道(23)宽度方向的尺寸，且第二管道槽道(22)中插入毛细不锈钢管作为气体通道，使得硅基底(15)外与测量热导池或参考热导池连通，测量热导池和参考热导池均设有两个气体管道，记为参考气入口通道(16)、参考气出口通道(17)、待测气入口通道(18)、待测气出口通道(19)，参考气入口通道(16)、参考气出口通道(17)、待测气入口通道(18)、待测气出口通道(19)对应的毛细不锈钢管分别对应嵌入到第一管道槽道(9)中；在第二管道槽道(22)与不锈钢管之间的空隙处用环氧树脂密封；在硅基底上表面的测量热导池和参考热导池内均包括两个热敏电阻(24)，共四个热敏电阻(24)；每个热敏电阻(24)的两端分别由电极引线(25)引出到硅基底边缘并制作成8个电极焊盘(26)，在电极焊盘处连接焊线并通过有机玻璃底座上的焊线槽道(8)引出；测量热导池与参考热导池的四个热敏电阻将连接成惠斯通电桥，继而进行测量。

所述整体结构为将有机玻璃盖板、上硅胶垫片、上玻璃片、橡胶密封圈、硅基底、下玻璃片、下硅胶垫片、有机玻璃底座依次放置，利用螺栓进行纯机械密封。

进一步优选上玻璃片(11)厚度大于下玻璃片(13)，上玻璃片(11)下表面加工有橡胶圈定位槽(12)，用于放置大橡胶密封圈(21)、小橡胶密封圈(20)；

进一步优选硅基底上表面的大橡胶密封圈以及两个小橡胶密封圈之间均留有适当间隙；所述橡胶圈材质为普通氟橡胶或全氟醚橡胶。

所述硅基底(15)自上而下依次为氮化硅、单晶硅、氮化硅三层材料构成，顶层氮化硅表面采用磁控溅射技术加工有热敏电阻(24)、电极引线(25)及电极焊盘(26)；所述硅基底(15)正对热敏电阻(24)位置处的下表面加工有背部空腔(27)，其中下表面的氮化硅层和中间的单晶硅被完全刻蚀掉，即热敏电阻(24)仅由上层的薄层氮化硅支撑。

所述硅基底(15)上表面第三管道槽道(23)在宽度及深度方向均小于第二管道槽道(22)，两者在长度方向相通，并且连接位置正被位于其上的小橡胶密封圈(20)所覆盖。

所述测量热导池和参考热导池内包含的2个热敏电阻(24)，每个热敏电阻为梳状结构，两个热敏电阻的梳状结构平面相对交叉在一起。

如上所述，本实用新型提供的一种机械密封式微型热导检测器具有以下有益效果：

1、本实用新型采用螺栓机械压紧的方式实现密封效果，微型热导检测器的热导池由上玻璃片、小橡胶密封圈及硅基底上表面构成，而硅基底部分的加工工艺成熟、成品率高。检测器制作过程无需高温高压的键合过程，同样也就规避了以往微型热导检测器设计中硅、玻璃键合步骤中由于其间存在氧化硅、氮化硅及金属电极层时键合困难或者无法键合的情况，大大简化了加工工艺复杂性，降低了加工成本，提高了经济效益。

2、有机玻璃盖板及底座的封装制作采用螺栓的密封连接，硅胶垫片起到保护缓冲的作用，通过橡胶圈定位槽及硅基底上大、小管道槽道的设计使得橡胶圈及不锈钢管容易精准定位，以及采用高耐热性、抗老化抗腐蚀的全氟醚橡胶圈等设计使整个微型热导检测器设计具有较高的工艺容错率、良好的稳定性及坚固性，可作为独立的微型气体分析装置使用。

3、设计方案对于热敏电阻的不同热损途径都做出了热绝缘的考虑，首先热敏电阻仅由低热导率的薄层氮化硅支撑，直接由介质热传导的热损很小；同时向下方的散热由于氮化硅下方空气腔的设计也非常小，向上为低热导率的有机玻璃；横向上，通过大、小橡胶圈的布置，同样形成了一圈空气隔热层，同时橡胶本身热导率较低。因此，整体上来讲，热敏电阻的热损很小，相应检测器可以实现低功耗、高测量精度的效果。

4、单个热导池中2个热敏电阻的梳状结构交错布置方式，减小了气体流经热敏电阻先后顺序的差异而造成的温度差异的问题，改善了检测效果。

附图说明

图1所示为本实用新型微型热导检测器整体结构拆分示意图。

图2所示为本实用新型微型热导检测器整体结构示意图。

图3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。

图4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5所示为本实用新型微型热导检测器硅基底管道槽道局部放大示意图。

图6所示为本实用新型微型热导检测器热敏电阻设计示意图。

图7所示为本实用新型微型热导检测器硅基底的加工示意图。

图8所示为微型热导检测器电桥电路示意图。

图中标号说明：

有机玻璃盖板1，盖板开槽2，观察通孔3，固定螺栓4，螺纹孔5，有机玻璃底座6，底座开槽7，焊线槽道8，第一管道槽道9，上硅胶垫片10，上玻璃片11，橡胶圈定位槽12，下玻璃片13，下硅胶垫片14，硅基底15，参考气入口通道16，参考气出口通道17，待测气入口通道18，待测气出口通道19，小橡胶密封圈20，大橡胶密封圈21，第二管道槽道22，第三管道槽道23，热敏电阻24，电极引线25，电极焊盘26，背部空腔27。

具体实施方式

本实用新型提供了一种机械密封式微型热导检测器，其核心思想是：通过中心开槽的有机玻璃盖板与底座的螺栓固接，将位于其间的硅胶垫片、玻璃片、橡胶密封圈、硅基底压紧整合形成热导检测器的气体通路及微型热导池，并通过背部空气腔、大小橡胶圈形成的空气腔、悬空薄层氮化硅支撑层的设计最大化减小热敏电阻热损，同时单一热导池中热敏电阻梳状结构的交错布置方式保证了电桥对角臂热敏电阻温度一致，此外在制作中规避了高温高压键合过程，使微型热导检测器设计在具有低功耗、高精度性能的基础上，简化了加工工艺，提高了稳定性及坚固性，有效节约了加工成本，提高了经济效益。

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1及图2所示为一种机械密封式微型热导检测器，整体结构从上至下包括有机玻璃盖板1、上硅胶垫片10、上玻璃片11、大橡胶密封圈21、小橡胶密封圈20、硅基底15、下玻璃片13、下硅胶垫片14、有机玻璃底座6构成，并通过固定螺栓4配合加工在有机玻璃盖板与底座上的螺纹孔5实现机械压紧。

有机玻璃盖板1与有机玻璃底座6尺寸相同，具体尺寸为40mm*30mm*20mm，其上开设8个螺纹孔5，利用M3固定螺栓4进行机械密封。有机玻璃盖板1下侧加工盖板开槽2，尺寸为20mm*16mm，深度2.1mm，密封时0.3mm厚的上硅胶垫片10、1.8mm厚的上玻璃片11置于其中。有机玻璃底座6上侧加工底座开槽7，尺寸同盖板开槽2，密封时0.8mm厚的硅基底15、1mm厚的下玻璃片13及0.3mm厚的下硅胶垫片14置于其中。大橡胶密封圈21、小橡胶密封圈20位于上玻璃片11与硅基底15之间，机械密封后由两个小橡胶密封圈20、上玻璃片11及硅基底15三者围成的区域分别形成微型热导检测器的测量热导池及参考热导池。

有机玻璃底座6上加工有宽0.6mm、深0.5mm的第一管道槽道9，硅基底15上采用湿法化学蚀刻加工有管道槽道22、23，在管道槽道中插入0.5mm外径的毛细不锈钢管，在管道与槽道之间的空隙处用环氧树脂密封，检测器共集成有四条气体通道，分别为参考气入口通道16、参考气出口通道17、待测气入口通道18、待测气出口通道19，检测时参考及待测气体分别由各自的入口通道进入，到达第三管道槽道23的位置处向上进入到包含Pt热敏电阻24的热导池区域，再经由出口处的第三管道槽道23进入出口通道，从而完成气体分析过程。

如图3所示，在形成的参考热导池及测量热导池中各集成有两个Pt热敏电阻24，分别由Au电极引线25引出到硅基底15边缘并制作有8个Au电极焊盘26，在电极焊盘26处焊接导线并通过有机玻璃底座6上的焊线槽道8引出，导线为1.2mm外径的铜线。测量热导池及参考热导池的四个热敏电阻将连接成惠斯通电桥，分别作为电桥的测量臂及参考臂，继而进行测量，惠斯通电桥电路连接如图8所示。

所述微型热导检测器，上玻璃片11厚度优选为1.8mm，大于下玻璃片13厚度1mm，主要为考虑到上玻璃片11与大小橡胶密封圈21、20直接接触压紧且受力不均，故增加上玻璃片厚度以增强其强度，同时上玻璃片11下侧加工有橡胶圈定位槽12，定位槽深度优选为0.5mm，定位槽的加工将使橡胶圈得到精准定位，避免其错位堵塞通道或接触热敏电阻。

所述硅基底15上侧所用密封圈为1个大橡胶密封圈21，优选尺寸为外径14mm，线径1mm，以及2个小橡胶密封圈20，优选尺寸为外径5mm，线径1mm，大橡胶密封圈包含两个小橡胶密封圈并留有适当间隙，间隙内包含空气将会形成一层空气热阻，以防橡胶圈外壁面直接进行对流换热而增加热敏电阻24的热损，同时大橡胶密封圈21协助起到支撑作用，防止压紧过程中上玻璃片发生断裂。橡胶圈材质选择普通氟橡胶或全氟醚橡胶，其具有优异的耐高温性能、抗老化性及抗蚀性，将显著增强热导检测器的工作寿命。

所述硅基底15为氮化硅、单晶硅、氮化硅三层材料构成，硅基底尺寸优选为20mm*16mm，同有机玻璃底座开槽7尺寸匹配，顶层氮化硅厚度为100nm，该厚度在保证足够的热电绝缘效果的同时具有足够的强度，并且可承受近1000度的高温不损坏，在其表面采用磁控溅射技术沉积有厚度优选为150nm的Pt热敏电阻24，单个电阻阻值约为90欧姆，Pt具有较大的电阻率及电阻温度系数，是作为检测器热敏电阻的优选材料。同时溅射有Au电极引线25及电极焊盘26，其厚度优选为250nm，Au具有优异的导电性能，适宜作为引线，从而减少焦耳热量产生。

如图5所示，硅基底15上侧表面加工有第二管道槽道22及第三管道槽道23，第三管道槽道在宽度及深度方向均小于第二管道槽道，两者在长度方向相通，并且连接位置正被其上的小橡胶密封圈20所覆盖，大、小管道槽道的设计可以利用毛细不锈钢管的壁厚，将不锈钢管恰好定位在大、小槽道连接的位置。另如图4所示，在硅基底15背面，正对热敏电阻24的位置处，加工有倒梯形背部空腔27，体硅被完全刻蚀，即热敏电阻24仅由薄层氮化硅支撑，背部空腔形成的空气热阻将有效减少热损。

如图6所示为单个热导池区域包含的2个Pt热敏电阻24，两者整体为梳状结构交错布置，该设计减小了气体流经热敏电阻先后顺序的差异而造成的温度差异的问题，改善了检测效果。

所述硅基底15部分所涉及的微加工步骤如图7所示，首先在硅片正反表面低压化学气相沉积(LPCVD)氮化硅100nm，然后采用光刻及磁控溅射技术在顶层氮化硅表面沉积150nm厚的图形化Pt热敏电阻及250nm厚的图形化Au电极引线及电极焊盘，最后分别在硅基底正反表面通过反应离子蚀刻(RIE)技术开放蚀刻窗口，而后以氮化硅及光刻胶作为掩膜，采用湿法化学刻蚀形成管道槽道及背部空腔，同时释放热敏电阻下方的氮化硅薄膜使其悬空，可见，热导检测器硅基底微加工部分的工艺得到了简化。

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 (6)

1.一种机械密封式微型热导检测器，其特征在于，包括：最上端的有机玻璃盖板(1)、最下端的有机玻璃底座(6)、中间的硅基底(15)，还包括大橡胶密封圈(21)、小橡胶密封圈(20)、上硅胶垫片(10)、下硅胶垫片(14)、上玻璃片(11)、下玻璃片(13)，通过有机玻璃盖板与有机玻璃底座的螺栓固接形成机械密封，完成检测器制作；

有机玻璃盖板(1)与有机玻璃底座(6)上均开设8个螺纹孔，利用固定螺栓(4)进行机械固定密封；有机玻璃盖板下表面加工有盖板开槽(2)，盖板开槽(2)内自上而下上硅胶垫片(10)与上玻璃片(11)依次置于其中；有机玻璃底座上表面加工底座开槽(7)，硅基底(15)、下玻璃片(13)及下硅胶垫片(14)自上而下依次置于其中；大橡胶密封圈(21)内放置两个小橡胶密封圈(20)，两个小橡胶密封圈(20)并排放置且与大橡胶密封圈(21)同平面；大橡胶密封圈(21)、小橡胶密封圈(20)位于上玻璃片(11)与硅基底(15)之间，机械密封后由两个小橡胶密封圈(20)、上玻璃片(11)与硅基底(15)三者围成的区域分别形成热导检测器的测量热导池和参考热导池；

有机玻璃底座(6)上表面加工有第一管道槽道(9)，硅基底(15)上表面加工有第二管道槽道(22)和第三管道槽道(23)，第二管道槽道(22)和第三管道槽道(23)长度轴向串通在一起与测量热导池或参考热导池连通，且第二管道槽道(22)宽度方向的尺寸大于第三管道槽道(23)宽度方向的尺寸，且第二管道槽道(22)中插入毛细不锈钢管作为气体通道，使得硅基底(15)外与测量热导池或参考热导池连通，测量热导池和参考热导池均设有两个气体管道，记为参考气入口通道(16)、参考气出口通道(17)、待测气入口通道(18)、待测气出口通道(19)，参考气入口通道(16)、参考气出口通道(17)、待测气入口通道(18)、待测气出口通道(19)对应的毛细不锈钢管分别对应嵌入到第一管道槽道(9)中；在第二管道槽道(22)与不锈钢管之间的空隙处用环氧树脂密封；在硅基底上表面的测量热导池和参考热导池内均包括两个热敏电阻(24)，共四个热敏电阻(24)；每个热敏电阻(24)的两端分别由电极引线(25)引出到硅基底边缘并制作成8个电极焊盘(26)，在电极焊盘处连接焊线并通过有机玻璃底座上的焊线槽道(8)引出；测量热导池与参考热导池的四个热敏电阻将连接成惠斯通电桥。

2.按照权利要求1所述的一种机械密封式微型热导检测器，其特征在于，上玻璃片(11)厚度大于下玻璃片(13)，上玻璃片(11)下表面加工有橡胶圈定位槽(12)，用于放置大橡胶密封圈(21)、小橡胶密封圈(20)。

3.按照权利要求2所述的一种机械密封式微型热导检测器，其特征在于，硅基底上表面的大橡胶密封圈以及两个小橡胶密封圈之间均留有间隙；所述橡胶圈材质为普通氟橡胶或全氟醚橡胶。

4.按照权利要求1所述的一种机械密封式微型热导检测器，其特征在于，硅基底(15)自上而下依次为氮化硅、单晶硅、氮化硅三层材料构成，顶层氮化硅表面采用磁控溅射技术加工有热敏电阻(24)、电极引线(25)及电极焊盘(26)；所述硅基底(15)正对热敏电阻(24)位置处的下表面加工有背部空腔(27)，其中下表面的氮化硅层和中间的单晶硅被完全刻蚀掉，即热敏电阻(24)仅由上层的薄层氮化硅支撑。

5.按照权利要求1所述的一种机械密封式微型热导检测器，其特征在于，所述硅基底(15)上表面第三管道槽道(23)在宽度及深度方向均小于第二管道槽道(22)，两者在长度方向相通，并且连接位置正被位于其上的小橡胶密封圈(20)所覆盖。

6.按照权利要求1所述的一种机械密封式微型热导检测器，其特征在于，所述测量热导池和参考热导池内包含的2个热敏电阻(24)，每个热敏电阻为梳状结构，两个热敏电阻的梳状结构交错布置。