具有提高的分辨率的熱通量傳感器的制造方法
【專利摘要】一種熱通量傳感器，包括至少一個支撐部，其中至少一個薄膜（4）通過至少四個納米線（12.1、12.2、14.1、14.2）相對于所述支撐部懸掛，所述薄膜（4）由至少一種導電材料制成，并且所述納米線（12.1、12.2、14.1、14.2）由導電材料制成，其中兩個納米線（12.1、12.2）連接到電流源以形成所述薄膜（4）的兩個端子之間的極化裝置以及加熱所述薄膜（4）的裝置，并且其中兩個納米線（14.1、14.2）連接到電壓計以形成用于測量所述薄膜（4）的端子處的電壓的裝置。
【專利說明】具有提高的分辨率的熱通量傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種熱通量傳感器，并涉及一種包括至少一個這種傳感器的用于通過其熱特性和流體特性確定氣體的組分濃度的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]熱通量傳感器被理解為任何測量傳感器的主體(例如薄膜)與傳感器定位在其中的流體介質(zhì)之間的熱交換的傳感器。該熱通量傳感器例如為特別是TCD (熱導檢測器)類型的氣體傳感器，或者特別是皮拉尼計類型的壓力傳感器。
[0003]這種類型的傳感器可定位在色譜柱的出口處，更特別地定位在色譜微柱的出口處，其中色譜微柱使得復雜混合物的氣體元素能夠按時間先后順序分離。傳感器用于確定相繼地到達其表面的待分析的氣體分析物的相對濃度。所述分析物混合在成為載氣的氣體中，所述氣體以固定的速度輸送到色譜柱中和傳感器處。
[0004]載氣可例如為干燥的空氣或惰性氣體。
[0005]存在可被定位在色譜柱的出口處的多種類型的傳感器。
[0006]火焰離子化檢測器(FIDs)。
[0007]待分析的氣體在氫氣流中燃燒，產(chǎn)生離子和電子。帶電微粒被電極收集，所產(chǎn)生的電流用皮可安培計來測量。首先，該傳感器允許僅有機成分的檢測。其次，其需要氫氣流，并且所產(chǎn)生的離子的數(shù)量總是很小。最后，傳感器的尺寸不能減小。
[0008]還存在重量傳感器。在這種情況下的目的是測量在傳感器表面處被吸附的目標氣體的質(zhì)量。
[0009]傳感器通常是以自然振蕩頻率振動的系統(tǒng)。該技術(shù)主要包括測量由于在由氣體的吸附導致的低頻率下的重量作用所產(chǎn)生的頻移。這些傳感器對于大的氣體分子非常敏感，但是在非常輕的和/或不穩(wěn)定的分子的濃度測量方面較不敏感。
[0010]還存在光學傳感器，其操作原理通?；诠饬鞯募t外吸收。所述傳感器適用于檢測與碳化合的元素。但是，為了能夠檢測其它類型的氣體，激光源的數(shù)量必須增加，這將大大增加這種設備的復雜性和成本。這些傳感器還難以小型化。
[0011]電子傳感器，其檢測原理基于由在其表面的氣體分子的存在而導致的電性質(zhì)(電阻、阻抗、表面電勢)的變化。這些傳感器需要表面功能化。宏觀的傳感器相對較不敏感。毫米或納米尺寸的傳感器在它們的部分承受漂移的問題，即獨立于待測量的現(xiàn)象的信號時間漂移，并承受對初始表面狀態(tài)的極端敏感性。它們也必須功能化。
[0012]最后,存在熱傳導檢測器(TCDs)。
[0013]TCD檢測器可包括電阻被測量的加熱到高溫的線。線對于給定的氣體具有給定的溫度。當氣體改變時，熱環(huán)境(熱傳導、粘性、熱對流)的性質(zhì)改變，這導致線溫度的變化。該變化本身導致通過測量電橋檢測的電阻的改變。TCD傳感器的溫度越高，其分辨率越好。該傳感器能夠在空氣中操作，但是無氧環(huán)境的使用意味著由可能的線燃燒強制要求的溫度極限不再適用。TCD線通常必須放置在氦或氫載氣流中。這表現(xiàn)出該檢測器的主要限制。此夕卜，在這些輕質(zhì)氣體和待檢測的分析物之間存在很大的熱常數(shù)差異，使得系統(tǒng)比在簡單的干燥空氣流中更加敏感。
[0014]文件W02001/044547描述了一種被定位在色譜柱的出口處的T⑶傳感器。該T⑶傳感器包括加長的支撐板、定位在支撐板上的加長的加熱元件，其中所述支撐板和所述加熱元件懸掛在氣體在其中流動的腔室中。安裝有兩個為加熱元件供電的接觸部，以及兩個測量電壓的接觸部。加熱元件被成形為類似于雉堞(battlement)。加熱元件的電阻被測量并使得能夠確定與支撐板接觸的氣體的成分。
[0015]該傳感器制造復雜，這是因為它需要制造支架，并且然后需要制造加熱元件和加熱元件與基底之間的電連接件。
[0016]此外，其相對笨重。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種具有提高的分辨率的熱通量傳感器，該熱通量傳感器制造簡單且占據(jù)很小的容積。
[0018]所述目的通過一種熱通量傳感器實現(xiàn)，該熱通量傳感器包括通過納米線相對于基底懸掛的至少一個薄膜和測量薄膜的端子處的電壓的裝置，其中，由納米線(nanowire)形成的加熱并極化薄膜的裝置將所述薄膜連接到至少一個電流源。
[0019]電壓測量裝置可由連接薄膜和電壓計的納米線形成。
[0020]薄膜和基底之間的納米線的使用提供了薄膜相對于基底的熱絕緣，這限制了經(jīng)由薄膜的懸掛裝置的熱泄漏，并使得所述設備相對于由于氣體而發(fā)生的熱泄漏更加敏感。
[0021]加熱納米線和極化納米線以及用于測量電壓變化的納米線可形成機械懸掛納米線，這還進一步減小了熱泄漏面積。
[0022]加熱納米線還有利地用于極化，因此納米線的數(shù)量較小。
[0023]極化納米線和用于測量電壓變化的納米線優(yōu)選地分開，這允許薄膜溫度的高解析度的測量。
[0024]熱通量傳感器具有非常小的尺寸；從而它可以與電子器件并且與由色譜柱形成的預分析系統(tǒng)共同集成(co-1ntegrated)。
[0025]該傳感器具有提供非常大的與氣體換熱的表面的優(yōu)點，這使得傳感器對于氣體的性質(zhì)更加敏感。
[0026]因此，本發(fā)明的一個主題是一種熱通量傳感器，其包括至少一個第一支撐部，其中至少一個第一薄膜通過至少四個納米線相對于所述支撐部懸掛，其中所述第一薄膜由至少一種導電材料制成，并且所述納米線由導電材料制成，其中兩個納米線連接到電流源以形成所述第一薄膜的兩個端子之間的極化裝置(means of polarisation)以及加熱所述第一薄膜的裝置，并且其中兩個納米線連接到用于測量所述第一薄膜的端子處的電壓的裝置。
[0027]電壓測量裝置可由所有已知的用于電壓測量的裝置制造，例如電壓計、示波器或還有同步檢測設備。
[0028]所述納米線有利地具有在10X IOnm2與1000X IOOOnm2之間的截面。
[0029]同樣有利地，所述第一薄膜的厚度在IOnm與I ii m之間。
[0030]在一個示例實施例中，所述第一薄膜和所述納米線由相同的導電材料層形成，從而它們形成單個零件。
[0031]所述第一薄膜和所述納米線可由半導體材料制成，例如由N型或P型摻雜的硅、鍺或SiGe制成。所述納米線例如由摻雜硅制成，從而使得熱阻系數(shù)可以消除。
[0032]作為變型，所述第一薄膜和所述納米線可由任何傳導性材料制成，并且優(yōu)選由具有高電阻溫度系數(shù)(TCR)的傳導性材料制成，例如半導體材料、TiN、金屬合金和硅化物。
[0033]第一薄膜例如包括與納米線一起形成單個部件的第一部分和由形成在所述第一部分上的材料層形成的第二部分，所述納米線和所述第一部分的材料具有低的熱導率，所述第二部分的材料具有高的電阻溫度系數(shù)。
[0034]所述納米線的和所述第一部分的材料的熱導率小于100W/m.K，所述第二部分的材料的電阻溫度系數(shù)大于1000ppm/K。
[0035]所述納米線和所述第一部分例如由硅制成，所述第二部分由TiN制成。
[0036]所述第二部分可由任何具有高的電阻溫度系數(shù)(TCR)的傳導性材料制成，例如半導體材料、TiN、金屬合金和硅化物。更一般地，該材料被選擇為使得它具有盡可能高的熱導率、電導率和電阻溫度系數(shù)，而第一部分的材料被選擇為具有可行的最低的熱導率。
[0037]所述電流源(current source)可為交變電流源,所述交變電流源可具有在IOHz和IMHz之間的，有利地在IkHz和IOkHz之間的頻率。
[0038]所述傳感器可包括附加的懸掛元件，其被構(gòu)造為僅用于所述第一薄膜相對于所述支撐部的機械懸掛。這些懸掛元件可為非直線型的，例如它們可為線圈式的或者裝備有通過矩形框架連接的兩個直線形部分。
[0039]所述熱通量傳感器還可包括在所述支撐部上的所述納米線的和/或所述附加的懸掛裝置的嵌入部(embedment)，其中，所述納米線的和/或所述附加的懸掛裝置的嵌入部為納米結(jié)構(gòu)的，從而減小所述嵌入部的熱傳導。
[0040]在一有利的示例中，所述第一薄膜是菱形形狀的，所述納米線連接到通過菱形的較大對角線聯(lián)接的頂點。
[0041]所述熱通量傳感器可包括通過至少四個納米線從第二支撐部懸掛的第二薄膜，所述第二薄膜以非零的距離與所述第一薄膜平行地定位，所述納米線由導電材料制成，并且兩個納米線連接到第二電流源以形成所述第二薄膜的兩個端子之間的極化裝置，并且兩個納米線從電壓測量裝置連接到所述第二薄膜的端子。
[0042]根據(jù)一個變型，所述第一電流源和所述第二電流源為交變電流源，所述第二電流源傳輸頻率不同于由所述第一電流源傳輸?shù)碾娏鞯念l率的電流。
[0043]根據(jù)另一個變型，所述第一電流源和所述第二電流源為直流電流源，所述第二電流源傳輸小于由所述第一電流源傳輸?shù)碾娏鞯碾娏?，以防止所述第二薄膜中的自加熱?br> [0044]本發(fā)明的另一個主題是一種用于確定氣態(tài)環(huán)境的濃度的系統(tǒng)，其包括至少一個根據(jù)本發(fā)明的熱通量傳感器，以及用于處理由所述傳感器傳輸?shù)碾妷褐档碾娮訂卧?br> [0045]本發(fā)明的另一個主題是一種用于分析氣體或氣體混合物的設備，其包括氣體色譜柱，和至少一個根據(jù)本發(fā)明的確定系統(tǒng)，其中，所述薄膜被懸掛在與所述氣體色譜柱的出口連接的通道中。
【專利附圖】

【附圖說明】[0046]通過下面的描述和所附示意圖將更好地理解本發(fā)明，其中:
[0047]圖1是根據(jù)本發(fā)明的熱通量傳感器的一部分的示例實施例的俯視圖的示意性圖示；
[0048]圖2是根據(jù)本發(fā)明的熱通量傳感器的橫截面視圖；該截面還表示傳感器可合并到其中的流體通道的示例；
[0049]圖3是用于極化薄膜并用于測量薄膜的端子處的電壓的電路的示意性圖示；
[0050]圖4是表示根據(jù)本發(fā)明的在氣體傳感器的特定方案中的熱通量傳感器的相繼的操作階段的流程圖；
[0051]圖5是本發(fā)明的熱通量傳感器的另一個示例實施例的側(cè)視圖的示意性圖示；
[0052]圖6A至圖6D是根據(jù)本發(fā)明的熱通量傳感器的變型實施例的示意性圖示；
[0053]圖7是允許差動測量(differential measurement)的根據(jù)本發(fā)明的熱通量傳感器的另一個示例實施例的透視圖；
[0054]圖8A至圖8H是制造根據(jù)本發(fā)明的熱通量傳感器的方法的示例的不同步驟的示意性圖示。
【具體實施方式】
[0055]本申請中，用語“熱通量傳感器”被理解為感應溫度變化并產(chǎn)生表示電壓變化的電信號的設備，用于“用于確定濃度的系統(tǒng)”被理解為一種系統(tǒng)，其包括熱通量傳感器和用于處理被傳感器傳輸?shù)男盘柌魉头治鑫餄舛戎档难b置。
[0056]在下文的描述中，術(shù)語“氣體”、“氣態(tài)混合物”和“氣態(tài)環(huán)境”被認為是同義詞，并表示待分析的分析物或分析物的混合物。
[0057]在圖1中，可見根據(jù)一示例實施例的傳感器，包括通過懸掛裝置相對于基底4懸掛的薄膜2。懸掛裝置由將薄膜2連接到基底的錨固柱10的納米線8形成。
[0058]熱通量傳感器還包括由將薄膜分別連接到電接觸墊A、B、C、D的納米線形成的電連接件 12.1,12.2 和 14.1,14.2。
[0059]非常有利地，納米線12.1,12.2形成極化薄膜的裝置和加熱薄膜2的裝置。納米線被電連接到電流源20 (在圖3中表示)?？赡転闊嵝孤┰吹幕缀捅∧ぶg的連接件的數(shù)量因此可以是少的。
[0060]納米線14.1,14.2電連接到電壓計22 (在圖3中表示)，并由此形成測量薄膜的端子處的電壓變化的裝置。
[0061]在圖2中，可見定位在連接到待分析氣體的供應源的流體通道24中的傳感器的截面視圖。
[0062]在本申請中，用語“納米線”被理解為納米尺寸的電導線，即其截面在IOX IOnm2與1000X IOOOnm2之間，并且有利地等于50 X 50nm2，其長度在IOOnm與IOiim之間，并且有利地為大約2 u m。
[0063]薄膜優(yōu)選具有在I Um2與100X IOOii m2之間的面積以及在IOnm與I 之間的厚度。
[0064]材料被選擇為使其具有高的電阻溫度系數(shù)(TCR)。此外，其優(yōu)選被選擇為具有非常高的熔點，由此允許高的操作溫度，提高信噪比。[0065]傳感器的懸掛部分可由硅制成。其可優(yōu)選由摻雜材料制成，以提高電阻溫度系數(shù)。例如，傳感器的懸掛部分可由N型摻雜娃或P型摻雜娃制成。娃可有利地為多孔式的，以增大換熱表面。
[0066]有利地，其可由鍺或SiGe制成。
[0067]在由硅制成的結(jié)構(gòu)的情況下，操作溫度為大約600°C。
[0068]以特別有利的方式，薄膜和納米線可由TiN制成，允許操作溫度為大約2000°C，這使得信噪比增大。
[0069]在硅的情況下，TCR為大約lOOOppm，在TiN的情況下，TCR為大約lOOppm。 [0070]在圖3中，表示出根據(jù)本發(fā)明的傳感器的電路的電路圖。
[0071]電流源20連接到接觸部A和B，電壓計22連接到接觸部C和D。傳感器使用純電阻變換方法，其中薄膜中的溫度變化借助其電阻的變化來測量。
[0072]Rv表示電壓計的阻抗，Rsinw表示每個納米線12.1,12.2,14.1、14.2的電阻。
[0073]V1-V2是在薄膜4的端子處測得的電壓。
[0074]電壓計優(yōu)選具有比納米線14.1,14.2的電阻Rsinw更高的阻抗。以此方式，納米線
14.1,14.2的端子處的電壓可被忽略。從而，在點C和D處測得的電壓可被認為等于V1-Vy
[0075]此外，這使得可能在納米線中發(fā)生的噪聲現(xiàn)象能夠被忽略。
[0076]傳感器傳送表示薄膜端子處的電壓變化的信號；通過本身取決于與薄膜接觸的氣態(tài)環(huán)境的成分的薄膜的溫度變化，由該測量可確定薄膜的電阻的變化。然后，可以確定氣態(tài)環(huán)境的成分。
[0077]我們將給出根據(jù)本發(fā)明的傳感器的相關(guān)信息。
[0078]薄膜通過焦耳效應被加熱。
[0079]電流在電A和B之間流動，即在納米線12.1、薄膜2和納米線12.2中流動，并通過焦耳效應加熱組件。
[0080]納米線12.1、12.2具有比薄膜的截面小得多的截面；因此，認為所有功率產(chǎn)生自納米線。因此，薄膜原則上由通過納米線的傳導加熱，熱功率由納米線產(chǎn)生。
[0081]該結(jié)構(gòu)通過使用接觸部A和B之間流動的電流來極化。納米線中產(chǎn)生的熱功率等于
[0082]Pj=2RsinwI2
[0083]薄膜2的熱損失可由兩個熱阻表示:
[0084]- Rlhmn:每個納米線的熱阻；該熱阻優(yōu)選被最大化以限制通過納米線的熱損失。
[0085]- 氣體的熱阻；該熱阻優(yōu)選較低，以便于與薄膜進行熱交換。
[0086]從而薄膜中的溫度升高可如下表示:
[0087]虹=Gth%h
wgaz..,II
[0088]其中，GtKm? 一和Gv 二I_是納米線的和氣體的熱導率。
[0089]溫度變化可表示為:
【權(quán)利要求】
1.一種熱通量傳感器，包括至少一個第一支撐部、通過至少四個納米線(12.1、12.2、14.1、14.2)相對于所述支撐部懸掛的至少一個第一薄膜(4、4’)，所述第一薄膜(4、4’)由至少一種導電材料制成，并且所述納米線(12.1,12.2,14.1,14.2)由導電材料制成，其中兩個納米線(12.1、12.2)連接到電流源(20)以形成所述第一薄膜(4、4’)的兩個端子之間的極化裝置以及加熱所述第一薄膜(4、4’)的裝置，并且兩個納米線(14.1、14.2)連接到用于測量所述第一薄膜(4、4’)的端子處的電壓的裝置(4、4’)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱通量傳感器，其中，所述納米線(12.1,12.2)具有在IOX IOnm2 與 1000X 1000nm2 之間的截面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱通量傳感器，其中，所述第一薄膜(4、4’)的厚度在IOnm與I u m之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱通量傳感器，其中，所述第一薄膜(4)和所述納米線(12.1,12.2,14.1,14.2)由相同的導電材料形成，從而它們形成單個零件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱通量傳感器，其中，所述第一薄膜(4)和所述納米線(12.1、12.2、14.1、14.2)由半導體材料制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱通量傳感器，其中，所述第一薄膜(4)和所述納米線(12.1、12.2、14.1,14.2)由N型或P型摻雜的硅、鍺或SiGe制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱通量傳感器，其中，所述第一薄膜(4’)包括與納米線(12.1,12.2,14.1,14.2)形成單個部件的第一部分(4.1’)和由形成在所述第一部分(4.1’)上的材料層形成的第二部分(14.2’)，所述納米線(12.1,12.2,14.1、14.2)和所述第一部分(4.2’)的材料具有低的熱導率，所述第二部分(4.2’)的材料具有高的電阻溫度系數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的熱通量傳感器，其中，所述納米線(12.1,12.2,14.1、14.2)的和所述第一部分(4.2’)的材料的熱導率小于100W/m.K,所述第二部分(4.2’)的材料的電阻溫度系數(shù)大于1000ppm/K。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的熱通量傳感器，其中，所述納米線(12.1,12.2,14.1、14.2)和所述第一部分(4.2’)由硅制成，所述第二部分由TiN制成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱通量傳感器，其中，所述電流源(20)為交變電流源。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的熱通量傳感器，其中，所述交變電流源具有在IOHz和IMHz之間的頻率。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的熱通量傳感器，其中，所述交變電流源具有在IkHz和IOkHz之間的頻率。
13.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱通量傳感器，包括僅用于所述第一薄膜(4)相對于所述支撐部的機械懸掛的附加的懸掛元件(8 )。
14.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱通量傳感器，包括在所述支撐部上的所述納米線的和/或所述附加的懸掛元件的嵌入部，其中，所述納米線的和/或所述附加的懸掛元件的嵌入部為納米結(jié)構(gòu)的，從而減小所述嵌入部的熱傳導。
15.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱通量傳感器，其中，所述第一薄膜(4)具有菱形形狀，并且其中，所述納米線連接到由所述菱形的較大對角線聯(lián)接的頂點。
16.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱通量傳感器，包括通過至少四個納米線從第二支撐部懸掛的第二薄膜，所述第二薄膜以非零的距離(d)與所述第一薄膜平行地放置，所述納米線由導電材料制成，并且兩個納米線(212.1、212.2)連接到第二電流源(20)以形成所述第二薄膜(204)的兩個端子之間的極化裝置，并且兩個納米線(214.1,214.2)從電壓測量裝置(4、4’)連接到所述第二薄膜(204)的端子。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的熱通量傳感器，其中，所述第一電流源和所述第二電流源為交變電流源，所述第二電流源傳輸頻率不同于由所述第一電流源傳輸?shù)碾娏鞯念l率的電流。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的熱通量傳感器，其中，所述第一電流源和所述第二電流源為直流電流源，所述第二電流源傳輸小于由所述第一電流源傳輸?shù)碾娏鞯碾娏?，以防止所述第二薄膜中的自加熱?br> 19.一種用于確定氣態(tài)環(huán)境的濃度的系統(tǒng)，包括至少一個根據(jù)權(quán)利要求1至18中的一項所述的熱通量傳感器、用于處理由所述傳感器傳輸?shù)碾妷褐档碾娮訂卧?br> 20.一種用于分析氣體或氣體混合物的設備，包括氣體色譜柱(CG)，和至少一個根據(jù)權(quán)利要求19的確定系統(tǒng)，其中，所述薄膜被懸掛在與所述氣體色譜柱的出口連接的通道中。
【文檔編號】G01N25/18GK103675015SQ201310436123
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月19日
【發(fā)明者】耶雷米·魯倫, 勞倫特·杜拉福格 申請人:原子能和替代能源委員會