熱流傳感器,包括至少一個此類傳感器的氣體傳感器以及包括至少一個此類傳感器的皮 ...的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種熱流傳感器或TO)(ThermalConductivityDetector，熱傳導檢 測器）傳感器，能夠用于測量氣體的濃度或者測量極低壓強，并因此形成皮拉尼規。
【背景技術】
[0002] 一般來說，熱流傳感器意味著任何對傳感器主體（膜）與傳感器所處的流體媒介 之間的熱量交換進行測量的傳感器。
[0003] 熱流傳感器被放置在包含所要分析的要素的環境中，在氣體傳感器的情況下為運 輸氣體中的分析物，或者在皮拉尼規的情況下僅僅是大量氣體分子。
[0004] 文件WO2001/044547說明了一種T⑶（熱傳導檢測器）傳感器，該T⑶傳感器使 用熱導率的變化來確定所處位置的氣體環境的組分。TCD傳感器被放置在色譜柱的輸出端。 該TCD傳感器包括狹長的支撐板，支撐板上放置有加熱元件。在被加熱的支撐板的末端處 檢測電壓變化以確定電阻變化，電阻變化取決于支撐板的溫度并且代表支撐板與氣體環境 之間的熱量交換；這些熱量交換取決于氣體環境的組分。這樣的傳感器制造復雜，這是因為 需要制作支撐板并且隨后制作加熱元件。
[0005] 皮拉尼規由微米尺寸的懸掛細絲制成，該懸掛細絲被放置在要對壓強進行測量的 外殼中并且被加熱。壓強測量值從氣體傳導導致的細絲所損失的熱量推出：遇到細絲的分 子吸收細絲的部分能量。
[0006] 這些傳感器的缺點是使得不能夠完全避免在傳感器外面出現例如溫度漂移的現 象。
[0007] 此外，通常嘗試減小傳感器的尺寸以便于傳感器的集成并增加應用領域的數量。 然而，這樣的尺寸縮減導致閃爍噪聲增大，閃爍噪聲也被稱為" 1/f噪聲"。
【發明內容】
[0008] 因此，本發明的一個目的是提供一種熱流傳感器，該熱流傳感器允許避免在尺寸 減小的傳感器外部出現的至少一部分現象。
[0009] 本發明的另一目的是提供一種熱流傳感器，該熱流傳感器與現有技術中的傳感器 相比制造更簡單。
[0010] 上述目的通過一種熱流測量設備來實現，該熱流測量設備包括用于放置在待分析 的環境中的至少一個納米線，用于動態加熱所述納米線的裝置以及用于測量納米線的電壓 的動態變化的裝置。
[0011] "動態加熱"指的是施加給定周期下的交變電流，并且"電壓的動態變化"指的是由 于納米線溫度隨時間變化所導致的納米線的電阻變化而造成的電壓變化。
[0012] -個或更多納米線的實施方式允許具有熱時間常數相對較低的靈敏元件，這允許 設備隨著電流變化而具有溫度變化并因此能夠施加動態激勵信號。
[0013] 動態激勵信號的施加使傳感器能夠對緩慢漂移不靈敏，例如對媒介的溫度漂移不 靈敏。
[0014] 根據本發明的測量設備具有系統溫度的測量的高分辨率。
[0015] 進一步，得益于本發明，激勵信號的頻率足以減小閃爍噪聲。
[0016] 在一個尤其有利的實施例中，測量設備包括至少兩個納米線或懸掛元件。
[0017] 在一個實施例中提供了用于動態加熱所述納米線的裝置以及用于測量納米線的 電壓的動態變化的裝置。
[0018] 在另一實施例中，納米線之一被用于通過焦耳效應加熱，并且其他納米線被用于 測量。"激勵"部分和"檢測"部分則被解耦合，從而允許對諸如溫度之類的外部參數的漂移 的靈敏度降低。
[0019] 通過增加納米線的數量，放置在氣體流過的通道中的傳感器使得能夠表征通道中 的熱傳遞。
[0020] 本發明進一步使得能夠制作極小尺寸的高性能檢測器，該高性能檢測器能夠使用 微電子技術共同集成并且兼容CMOS(VLSI)。
[0021] 這樣的傳感器尤其關注于作為用在氣體色譜微柱內和/或氣體色譜微柱輸出端 處的氣體傳感器。
[0022] 因此，本發明的主題為熱流傳感器，該熱流傳感器包括懸掛在支撐件上的至少一 個第一元件，所述第一懸掛元件為導電材料，用于使所述懸掛元件偏置的第一裝置以及用 于測量懸掛元件的末端處的電壓變化的第一裝置，所述第一懸掛元件由至少一個納米線形 成，并且所述第一偏置裝置由交變電流源形成，所述交變電流源的強度通過焦耳效應提供 第一懸掛元件的加熱。第一懸掛元件提供熱激勵并對通過交變加熱導致的阻值變化進行檢 測。
[0023] 在一個示例性實施例中，傳感器包括由至少一個納米線形成的第二懸掛元件，第 二懸掛元件基本上平行于第一懸掛元件并且與第一懸掛元件相隔給定距離，用于使第二懸 掛元件偏置的第二裝置以及用于測量第二懸掛元件的末端處的電壓變化的第二裝置，第二 偏置裝置由頻率與第一偏置裝置的頻率不同的交變電流源或者直流電流源形成。因此，第 二懸掛元件僅提供對第一懸掛元件的交變加熱導致的阻值變化的檢測。
[0024] 在另一示例性實施例中，傳感器包括基本上彼此平行放置的n個第一懸掛元件，n 為嚴格大于1的正整數，每個第一懸掛元件包括用于使所述第一懸掛元件偏置的第一裝置 和用于測量第一懸掛元件的末端處的電壓變化的第一裝置，n個第一元件的所述第一偏置 裝置由具有相同頻率或不同頻率的交變電流源形成，該交變電流源的強度通過焦耳效應分 別提供相應第一懸掛元件的加熱。n個第一類型的懸掛元件提供了熱激勵并對由交變加熱 導致的阻值變化進行檢測。
[0025] 在另一示例性實施例中，傳感器包括彼此基本平行的m個第二懸掛元件，m為嚴格 大于1的正整數，每個第二懸掛元件包括用于使所述第二懸掛元件偏置的第二裝置以及用 于測量第二懸掛元件的末端處的電壓變化的第二裝置，第二偏置裝置由頻率與第一偏置裝 置的頻率不同的交變電流源或者直流電流源形成。整數 n*m根據不同的實施例能夠相等 或者不等。
[0026] 有利地，n個第一懸掛元件的第一偏置裝置分別與使m個第二懸掛元件偏置的第 二偏置裝置是公用的。
[0027] 例如，第一懸掛元件能夠位于m個第二懸掛元件之間和/或第二懸掛元件能夠位 于n個第二懸掛元件之間。
[0028] 在一個示例性實施例中，n個第一懸掛元件和m個第二懸掛元件分布在一個或多 個平行平面內，在后一種情況下，傳感器則擴展到三維中。該傳感器類型能夠允許對流體通 道中的熱交換進行表征。
[0029] 在傳感器包括第一懸掛元件的另一示例性實施例中，第一懸掛元件能夠有利地包 括至少兩個鏈接到支撐件上的熱質量塊，熱質量塊被放置在第一懸掛元件的兩側。在傳感 器包括n個第一懸掛元件的情況下，傳感器能夠有利地包括n+1個熱質量塊，所述n+1個熱 質量塊被放置為使得每個第一元件被兩個質量塊包圍。形成恒溫質量塊的質量塊改善了熱 交換。
[0030] 有利地，第一懸掛元件或第二懸掛元件的寬度、長度和厚度分別介于IOnm和Iym 之間、Iym和100ym之間以及IOnm和Iym之間，分隔第一懸掛元件與第二懸掛元件的距 離介于IOnm和10ym之間。
[0031] 例如，根據本發明的包括被m個第二懸掛元件圍繞的第一懸掛元件的熱流傳感器 能夠被放置在通道中。所述懸掛元件則能夠平行于通道的軸線放置以確定通道內的氣體中 的橫向熱交換。
[0032] 本發明的另一主題為一種用于確定氣體環境的濃度的系統，該系統包括至少一個 根據本發明的熱流傳感器，用于對熱流傳感器傳遞的電壓值進行處理的電子器件。
[0033] 本發明的主題還提供一種用于確定氣體環境中的壓強的系統，該系統包括至少一 個根據本發明的熱流傳感器，用于對熱流傳感器傳遞的電壓值進行處理的電子器件。
[0034] 本發明的另一主題是一種用于分析氣體或氣體混合物的設備，該設備包括氣相色 譜柱以及至少一個根據本發明的用于確定濃度的系統，所述確定系統被放置在通道中，該 通道連接到氣體色譜柱的輸出端。
【附圖說明】
[0035] 通過以下說明以及附圖將更好地理解本發明，在附圖中：
[0036] 圖1為具有納米線的一個示例性傳感器的示意圖；
[0037] 圖2為圖1的傳感器的熱模型的示意圖；
[0038] 圖3為具有兩個納米線的一個示例性傳感器的示意圖；
[0039] 圖4為圖3的傳感器的等效電路圖的不意圖；
[0040] 圖5為具有三個納米線的一個示例性傳感器的示意圖；
[0041] 圖6為具有n個納米線的一個示例性傳感器的示意圖；
[0042] 圖7A為根據本發明的傳感器的不同納米線的溫度根據納米線在通道中的位置的 不同的曲線示意圖；
[0043] 圖7B為根據本發明的設置有具有數個