CN103674336A - 具有振动元件的热流量传感器和包括至少一个该传感器的气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热流量传感器，其包括：支撑件（2），至少一个意在相对于支撑件（2）振动的元件（4），相对于振动元件（4）的用于所述振动元件（4）的悬挂装置（14），用于加热振动元件（4）的装置（10），用于静电激励振动元件（4）从而使振动元件以其共振频率振动的装置（8），用于检测振动元件（4）的共振频率变化的压电计（12）、形成用于通过焦耳效应加热振动元件（4）的装置的计量器，以及包括两个梁的悬挂装置（14），所述两个梁由纳米线形成从而减小从振动元件朝向支撑件的热量损失。

Description

具有振动元件的热流量传感器和包括至少一个该传感器的气体传感器

技术领域

本发明涉及一种热流量传感器，其被提供用于至少一个纳机电共振器（或NEMS，表示“纳机电系统”）或微机电共振器（或MEMS，表示“微机电系统”），以根据气体的热特性确定气体组分的浓度，并且本发明涉及一种包括至少一个这种热流量传感器的气体传感器。 

背景技术

热流量传感器指的是任何测量传感器本体与传感器位于其中的流体介质之间的热交换的传感器。这些热流量传感器例如是气体传感器或压力传感器。 

能够确定气体的分析物成分的系统可以用于检测和量化色谱柱、更特别是色谱微柱的出口处的分析物，所述色谱微柱使得可以暂时分开复杂混合物的不同气态元素。传感器用于量化连续到达其表面上的待分析气体的分析物的相对浓度。分析物被混合到称为载气的气体中，所述气体以固定的速度被送入色谱柱中并且送到传感器上。 

例如，载气可以是干燥空气或惰性气体。 

已有几种类型的传感器，其可以被定位在色谱柱的出口处。 

火焰离子化检测器（FID）传感器。 

待分析的气体在氢气流下燃烧，产生离子和电子。带电粒子被电极收集并且所产生的电流使用皮安培计来测量。一方面，传感器仅仅允许检测有机组分。另一方面，其需要氢气流，并且离子的产生量保持较低。最后，传感器的尺寸不能被减小。 

还已有光学传感器，其工作原理大致基于光流的红外吸收。所述传感器适于检测含碳的元素。然而，为了能够检测其它类型的气体，激光源的数量将必 须倍增，这将显著地提高这样一个设备的复杂性和成本。传感器也难以小型化。 

电子传感器，其检测原理基于由其表面上的气体分子的存在引发的电特性（电阻、阻抗、表面电势）的改变。这些传感器需要表面功能化。粗量的传感器是相对不敏感的。微米测量的或纳米测量的传感器有漂移问题、即在待测量的特性中随机的长期漂移以及对初始表面状态的极端敏感度。它们也必须被功能化。 

还已有热传导检测器（TCD）传感器。TCD可以包括产生高温的线（wire），其电阻被测量。线对于给定气体具有给定温度。当气体改变时，热环境的特性（热传导、粘性、热对流）改变，这使得线温度变化。这一变化又使得通过测量电桥检测的电阻改变。TCD传感器的温度越高，其分辨率越好。因此必要的是在无氧环境中工作以防止线燃烧。一般地，TCD线必须被置于氦载气流或氢载气流下。使用稀有气体使得可以相对空气具有相当大的差异。这意味着检测器的显著的限制。此外，在这些轻气体和待检测的分析物之间存在热常数的主要对比度，这使得系统比在简单的干燥空气流下更敏感。 

还已有重量传感器。它们涉及测量被吸附在传感器表面处的目标气体的质量数量。 

一般地，传感器是在独特的振荡频率下振动的系统。系统的朝向由气体吸附引起的低频率的振荡频率偏移被测量，所述偏移由也称为重量作用的质量的增加而产生。传感器的表面被功能化以感测气体。这些传感器对于大的气态分子具有高敏感度，但对于非常轻和/或挥发性的分子具有较低的浓度测量敏感度。在2011年的传感器和致动器B：化学卷，160(1)，804-821中的Fanget、S.Hentz、P.Puget、J.Arcamone、M.Matheron、E.Colinet、P.Andreucci、L.Duraffourg、E.Myers、M.L.Roukes的文献“对基于重量检测的气体传感器的论述”中，描述了这一类型的传感器。 

发明内容

因此本发明的一个目的是提供一种热流量传感器，其提供高敏感度并且可 以小型化。 

本发明的目的通过一种热流量传感器实现，其包括可以通过激励装置振动的振动元件、用于加热所述振动元件的装置，以及用于测量振动元件的频率变化从而确定温度变化以及因此确定热流量的装置。 

所述振动元件被定位在待分析的气体中。振动元件相对于支撑件被悬挂从而限制从振动元件朝向支撑件的热量损失。悬挂装置于是形成热绝缘装置。有利地，悬挂和热绝缘装置由纳米线（nanowire）类型的梁形成。 

在一个实施方式中，加热装置与振动元件接触，所述接触是电接触和机械接触。 

在另一个实施方式中，加热装置位于远离振动元件处，所述振动元件被通过待分析气体的热传导加热。 

换句话说，振动元件的波动频率的变化被测量，所述变化由振动元件的温度变化引起，所述温度变化由于与周围气体的热交换引起。根据这一变化的频率变化，在气体传感器的情况下，可以确定振动元件和气体之间的热流量，并且可以从中推导出负责那些热交换的气体的成分。 

所述传感器具有对质量吸收不敏感的优点，因为，由于振动元件的加热，被吸收的质量被立即释放并且对于振动元件的振荡频率变化没有任何影响。 

本发明的主题是一种热流量传感器，其包括： 

-支撑件， 

-被称为振动元件的意在相对于支撑件振动的至少一个元件， 

-用于使所述振动元件相对于支撑件绝缘的悬挂和热绝缘装置， 

-用于加热振动元件的装置， 

-用于激励所述振动元件从而使振动元件以其共振频率振动的装置， 

-用于检测振动元件的共振频率变化的装置。 

悬挂和热绝缘装置有利地包括至少一个梁，所述至少一个梁的尺寸被设定为使得通过悬挂装置从振动元件朝向支撑件的热量损失减小。所述梁的尺寸设定包括选择其截面、长度、形状等等。 

在一个示例性实施方式中，所述悬挂和热绝缘装置包括至少两个梁，所述至少两个梁在振动元件的两侧（either side）对齐或相对于彼此倾斜并且具有共用的与所述振动元件的连结部。 

非常有利地，所述梁具有包括在10×10nm²和250×250nm²之间的截面，并且所述截面优选地等于50×50nm²。 

所述梁可以具有非直线型的形状、有利地是蜿蜒的形状，或在两个区段之间具有至少一个空心矩形的形状。 

优选地，所述梁由热绝缘材料制成，例如非晶硅或另一种材料。 

非常有利地，所述悬挂和热绝缘装置包括用于锚固到支撑件上的区域，所述区域由纳米结构化材料形成，并且由此形成的孔可以被填充或可以不被填充。 

所述加热装置例如是通过焦耳效应实现的加热装置。 

在另一个示例性实施方式中，所述加热装置与振动元件直接接触。 

所述加热装置可以由至少一个与偏振（polarization）源和所述振动元件连接的导电元件形成。 

所述检测装置可以由至少一个与振动元件机械地连接的压阻计形成。有利地，至少一个压阻计形成焦耳效应加热装置。 

在另一个示例性实施方式中，所述加热装置位于与所述振动元件分离处，加热由所述加热装置和所述振动元件之间通过气态环境的传导而获得。所述加热装置可以由悬挂线形成。 

两个振动元件可以被定位在加热装置两侧从而执行差动（differential）测量。 

在一个示例中，所述振动元件是根据体积形变模式的振动元件。 

在另一个示例中，所述振动元件是旋转振动元件。 

所述检测元件可以包括两个提供差动测量的压阻计。在另一个示例性实施方式中，检测装置是电容检测装置。 

激励装置可以是静电激励装置。 

本发明的主题还是一种热流量测量系统，其包括多个根据本发明的传感器。 

本发明的主题还是一种用于确定气态环境的浓度的系统，所述系统包括至 少一个根据本发明的热流量传感器或根据本发明的系统、用于处理由热流量传感器传送的电压值的电子器件。 

所述至少一个传感器可以置于电子振荡且频率或相位测量的环路中。 

本发明的主题还是一种用于分析气体或气体混合物的装置，所述装置包括气体色谱柱以及至少一个根据本发明的用于确定浓度的系统，所述确定系统被定位在与气体色谱柱的出口连接的通道中。 

附图说明

利用以下描述和附图，将更好地理解本发明，其中： 

-图1是热流量传感器的第一实施方式的示意俯视图， 

-图2A和2B是使用图1的传感器获得的振动元件的电共振信号的示例的图表示图， 

-图3是适用于图1的传感器的热模型的示图， 

-图4A是作为时间的函数的分析物浓度变化的图表示图， 

-图4B和4C是对于图1的传感器分别被测量的由图4A的浓度变化所产生的温度和频率变化的图表示图， 

-图5是根据第一实施方式的传感器的一个备选实施方式的示意俯视图， 

-图6A以6C是对于根据本发明的传感器适于悬挂振动元件的悬挂装置的备选实施方式， 

-图6D是锚固部设有孔的传感器的一个示例性实施方式的示意俯视图， 

-图7是根据第一实施方式的传感器的另一个示例性实施方式的示意俯视图，振动元件根据体积形变模式振动， 

-图8A到8C是适用于图7的传感器的振动元件的备选实施方式， 

-图9是根据第二实施方式的传感器的示意俯视图， 

-图10A到10H是用于制造根据本发明的传感器的方法的一个示例的不同步骤的示意图； 

-图11是示意性地示出了其中的锚固部是纳米结构的一个备选实施方式 的俯视图， 

-图12是示意性地示出了另一个备选实施方式的俯视图，根据该实施方式，绝缘的（insulating）锚固部由传导层覆盖， 

-图13A和13B是一个示例性实施方式的俯视图和侧视图，其中振动元件是旋转盘，以及 

-图14示出了用于测量振动元件的频率变化的方法的一个示例的各个步骤的流程图。 

具体实施方式

图1示出了包括静止部件2和运动部件4的热流量传感器C1的一个实施方式的俯视图。静止部件2例如由支撑件形成，所述支撑件由微电子领域的基底形成。运动部件4由能够相对于基底2振荡的元件形成。运动部件4在余下的说明书中将被表示为“振动元件”。在所示出的示例中，振动元件4由通过悬挂装置5与基底2的一个纵向端部4.1连接的具有纵向轴线X的梁形成。 

传感器C1还包括用于激励振动元件4的装置8、用于加热振动元件4的装置10以及用于检测振动元件4的振动的装置12。 

悬挂装置5被设置为它们提供梁相对于支撑件的热绝缘。 

有利地，悬挂装置具有减小的传导性，由此减小从振动元件4朝向基底2的热量损失。在所示出的示例中，悬挂装置由两个对齐的梁14形成，所述两个对齐的梁14具有垂直于振动元件4的轴线X的纵向轴线Y并且在振动元件4的两侧在其纵向端部4.1下延伸。梁14由它们的其它纵向端部悬挂在锚固柱C处，所述锚固柱C可选地可以形成电接触柱。在所示出的示例中，锚固柱C呈C的形状。 

梁14具有小的截面；有利地，它们由纳米线形成。梁14具有优选地包括在10×10nm²和250×250nm²之间的截面。由此，从振动元件朝向基底2的热量损失被梁14的截面限制。 

还可以使用例如为非晶硅的热绝缘材料，与单晶硅的148W.m^-1.K^-1的热导 率相比，非晶硅具有4W.m^-1.K^-1的热导率，或者使用例如为SiN的绝缘体，其热导率为2W.m^-1.K^-1。 

有利地，还可以通过使得用作悬挂部的机械锚固部的支撑件的一部分纳米结构化来改善悬挂部的热绝缘。事实上，例如，通过例如在硅中以从15nm到20nm的间距形成大约20nm直径的纳米级的孔，可以在保持良好导电特性的同时阻挡热量的扩散。由此，悬挂部的嵌入部变成热绝缘的，但保留了电子（或孔）的传导性。作为一个示例，如此纳米结构化的单晶硅呈现如非晶硅那么低的热导率水平。图11提供了这种NN嵌入部的一个示例。这些绝缘装置被称为声子绝缘体。 

可以用例如为SiO₂或SiOC或甚至是SiN的绝缘材料来填充所述孔，这通过从机械的观点加强锚固可以是有利的。 

备选地，还可以例如通过使用SiN或SiO₂生成由热绝缘且电绝缘的材料制成的嵌入区域。 

这一类型的绝缘特别适用于硅或SiGe或Ge。 

激励装置8是静电式的并且包括被表示为D的电极15，所述电极15固定在基底上且位于振动元件4的一个侧面的对面。通过在电极15和振动元件4之间施加电压差，所述振动元件4以其共振频率振动。 

振动元件4于是通过激励装置振动，从而围绕垂直于轴线X和Y的轴线Z枢转。 

在所示出的示例中，用于检测振动元件4的振动的装置12由两个应变计20.1、20.2形成，所述两个应变计20.1、20.2悬挂在振动元件4与有利地形成接触柱的锚固柱A、B之间，且定位在纵向轴线X两侧。由此，振动元件4围绕轴线X的旋转运动引起计量器20.1、20.2的形变，所述形变代表振动元件4的运动。 

计量器20.1、20.2例如是压阻计。于是在计量器20.1、20.2内测量到与施加到计量器的应变成正比的电阻变化。计量器20.1、20.2在柱A和B之间偏振，并且电阻变化引起柱C和大地之间的输出电压的变化。 

在所示出的示例中，计量器形成差动测量装置，其使得可以消除外侧的变化，例如环境的缓慢温度变化。备选地，检测装置可以仅包括两个计量器20.1、20.2中的一个。 

有利地，计量器位于尽可能靠近旋转轴线，在该旋转轴线处，由梁的运动引起的应力最大。 

在所示出的示例中，加热装置10非常有利地由计量器20.1、20.2本身形成。振动元件4的加热通过计量器内的焦耳效应和通过传导而获得。用于计量检测的计量器的偏振于是被用作加热装置，这使得可以简化传感器。 

备选地，悬挂部梁可以用作焦耳效应加热装置，于是悬挂装置是导电的。为了减小其加热损失，嵌入部有利地被纳米结构化。 

备选地，可以考虑添加与梁中的计量器分离的纳米线型的加热装置，但这种纳米线的添加引起计量器中应变的减小以及测量信号的减小。 

振动元件的加热温度例如被包括在300℃和1000℃之间。 

计量器有利地具有小的截面，从而使所经受的应变集中并且力学响应提高。此外，小的截面使得可以限制振动元件4朝向基底2的热量损失。优选地，对于100nm和500nm之间的长度，计量器具有包括在10×10nm²和250×250nm²之间的截面。 

还可以考虑通过以与图11中描述的悬挂装置的嵌入柱相同的方式使计量器的嵌入区域纳米结构化来提高热绝缘。 

图12示出了一个示例性实施方式，其中嵌入部A'、B'、C'在例如为SiN或SiO₂的热绝缘和电绝缘材料中完成。在这一备选方案中，嵌入部A'、B'、C'由优选为金属的导电材料E的薄层覆盖，所述薄层的厚度保持为非常小，例如小于10nm。优选地，这一金属将是TiN或AlSi。朝向支撑件的热流量因此被限制。 

优选地，悬挂部、在压阻检测方式下的计量器、以及振动元件由单晶硅制成。纳米线于是有利于生成计量器和悬挂部和/或纳米结构化的锚固类型的绝缘锚固部。 

传感器的特征尺寸的示例在下面的表格中给出： 

-w是振动元件4的宽度； 

-l是振动元件4的长度； 

-l1是梁14中的计量器20.1、20.2之间的距离； 

-b是计量器20.1、20.2的长度，大约为从200nm到400nm； 

-s是计量器20.1、20.2的宽度，典型地包括在80nm和160nm之间； 

-s2是梁14的厚度； 

-e是锚固柱C与梁14对面的侧边缘之间的距离； 

-p是计量器20.1和电极D之间的距离； 

-g是电极与面对振动元件4的侧面之间的距离。 

w

L

11

b

s

s2

e

p

g

300nm

3.2μm

480nm

300nm

100nm

120nm

250nm

250nm

150nm

300nm

3.2μm

480nm

600nm

100nm

120nm

250nm

250nm

150nm

300nm

7μm

1.05μm

600nm

100nm

150nm

250nm

250nm

150nm

我们将在一种应用中描述根据图1的传感器的工作原理，以确定关于图4A到4C的图表示图的气态环境的成分。气态环境包括例如为氦气或干燥空气的载气，以及分析物；我们希望确定的是分析物浓度。 

图4A是作为时间的函数的待分析气体的以ppm为单位的分析物浓度变化CA的图表示图。 

图4B是振动元件4的作为时间的函数的关于图4A的浓度变化的温度变化T的图表示图。 

图4C是由图4A的浓度变化产生的振动元件4共振频率变化f的图表示图。 

在初始状态t₀下，利用计量器20.1、20.2，振动元件4通过焦耳效应被加热到温度T₀+ΔT、即工作温度T_f。ΔT被选择为使传导率的作用最小化，所述传导率不同于出现在气体中的传导率，所述气体是载气。工作温度被选择为使得信噪比和如下所述的系数α被优化。 

在时刻t处，与载气混合的分析物到达传感器上，由此改变以G_g表示的周 围气体的传导特性。 

所考虑的流体时间常数（fluidic time constants）、即洗脱峰的边缘以及大约为100ms的该洗脱峰的持续时间根据力学响应和热响应是大的，所述力学响应例如包括在0.1μs和1μs之间，所述热响应例如小于500ns。只要分析物存在于载气中，传导率就从G_g到G_g+δG，这引起相对工作温度T_f的温度变化δT。这一温度变化引起频率偏移。此外，应变随振动而变化，振动的频率变化引起应变的变化，并且由压电效应获得的电信号的频率也发生变化。 

当在洗脱峰的结尾处分析物不再存在于载气中时，在时间δt_洗脱之后，温度恢复到T_f。传感器准备好检测另一个分析物峰。 

图14示出了用于测量振动元件的频率变化的一个示例方法的各个步骤的流程图。 

当洗脱峰形成在振动结构周围（步骤S1）时，系统的热平衡于是被改变（步骤S2），所述洗脱峰对应于具有例如为100ms到几秒的持续时间的一定的时间宽度以及例如为1mm的一定的空间宽度的气态分析物。热量通过气体的扩散于是被改变：气态环境一般地具有比载气小的热传导性（在没有分析物的情况下），振动系统加热（步骤S3）。事实上，振动元件是绝热的、即与硅支撑件几乎没有热交换，振动元件的温度主要通过周围气体被固定。当振动元件加热时，其机械特性（特别是杨氏模量、泊松比、应变）被改变（步骤S4），引起机械系统的共振频率的偏移（步骤S5）。机械系统具有比洗脱峰的时间响应显著地更快的时间响应（1ms对1秒），并且比气体/硅表面系统的热常数更快（大约100μs），所述频率是洗脱峰的理想图像（步骤S6）。为了进行测量，振动系统被集成到频率测量环路中。其可以是锁相环路（PLL）或自动振荡环路。频率于是被实时监测。 

振动元件4被静电力以其共振频率ω₀激励。考虑等效质量/弹簧模型，作用于计量器上的力F_g可以被表达为以下等式（在频域内）： 

$F_g\left(\mathrm{\ω}\right)=\mathrm{\β}\frac{{\mathrm{\ω}}_0^2}{{\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\ω}}^2+\mathrm{j\ω}{\mathrm{\ω}}_0/Q}{F}_{\mathrm{el}}\left(\mathrm{\ω}\right)$

β、ω、Q和F_el(ω)是由梁生成的杠杆臂的放大因子、角频率（rad/s）、品质因子，以及相应地施加在电极15和振动元件4之间的静电力。 

静电力由被表示为V_驱动(ω)的RF电压产生。还可以为添加直流电压V_DC作好准备。在这种情况下，因为所述力与电压的平方成正比，因此交变的激励信号具有等于梁的共振频率的频率。如果激励频率仅具有交变分量，则其频率是共振频率除以2。两种情况都是可行的。2w下的激励具有较少连续的背景的优点。 

计量器20.1、20.2中的一个被压缩，并且另一个计量器20.2、20.1在应变F_g/s下同时被拉紧，s是计量器的截面。 

因此在计量器20.1、20.2中由压阻效应引起的电阻变化ΔR被表达为以下等式： 

$\frac{\mathrm{\ΔR}\left(\mathrm{\ω}\right)}{R}=\mathrm{\γ}\frac{F_g\left(\mathrm{\ω}\right)}{2\·s\·E}$

γ和E是计量器的计量因子和杨氏模量。G的值取决于用于计量器的材料及其掺杂，所述计量器的材料例如是半导体型。G一般地包括在10和100之间。 

C上的相对质量的输出电压V_S被表达为： 

$V_s\left(\mathrm{\ω}\right)\∝\frac{\mathrm{\γ\β}{V}_{\mathrm{bias}}{V}_{\mathrm{DC}}{V}_{\mathrm{dri\υe}}\left(\mathrm{\ω}\right)}{2\·s\·E}\frac{Q{\mathrm{\ω}}_0^2}{\sqrt{{({\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\ω}}^2)}^2+{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\ω}}_0^2}}$

V_s与偏置电压和RF电压成正比。如果直流电压没有被使用，则V_s将与RF电压的平方成正比。 

优选地，偏置电压是交变电压，以使得可以进行外差法测量、即使得可以具有与激励频率不同的检测频率，这可使得可以在高激励频率下工作。 

振动元件4共振并且振动元件4的共振频率的变化被监测。图2A和2B示出了分别处于振动元件的共振频率下的作为偏置电压的函数的电压V_s和作为电压V_驱动(ω)的函数的电压的变化的示例。 

现在将描述振动元件的温度在其共振频率上的作用。 

我们考虑作为温度的函数的共振频率变化。已知，对于给定的运行点（T₀）， 例如为半导体材料的材料的共振频率与温度成正比地变化。这一变化被写作： 

ω₀(T)=ω₀(T₀)(1+α△T) 

α是热系数，并且ΔT是相对于T₀的温度变化。在硅的情况下，α在300K的温度下是大约－100ppm。α构成系统的热响应

所述频率是测量参数。 

热交换器存在于振动元件4及其环境之间。 

理想的是，通过考虑振动元件通过周围气体的热交换，以及通过梁14和计量器与支撑件的热交换，来获知振动元件在所有时间的温度。 

在第一近似上，在图3中示意地示出的热RC类型的1D模型被使用。在给定的所考虑的尺寸下，传感器上有或者没有覆盖件的振动元件4上的对流现象可以被忽略。仅仅传导将被考虑。 

δU表示具有固定温度的、形成恒温器的、由基底2构成的热储器与表示为C的振动元件4的热容量之间的内部能量交换。 

系统的热扩散方程写作如下： 

$C\frac{\mathrm{d\ΔT}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{G\ΔT}=P\left(t\right)$

G是经由气体以及由计量器20.1、20.2和梁14形成的实体机械连接的传导率。P(t)是系统上贡献的热功率。ΔT是振动元件4的温度上升量。 

在图1的实施方式中，热功率通过计量器20.1、20.2由焦耳效应产生。一般是交变的读取电压V_偏置可以用于生成对于通过自身发热来加热传感器来说必要的热量。专用直流电压V_加热可以被叠加在这一读取电压V_偏置上。通过指定标记和概括表达式，前述方程变成： 

$C\frac{\mathrm{d\ΔT}}{\mathrm{dt}}+(G_g+G_{\mathrm{jauges}}+G_{\mathrm{encastrements}})\mathrm{\ΔT}=\frac{V{\left(t\right)}^2}{R_{\mathrm{jauges}}}$

其中V(t)=V_偏置+V_加热或V(t)=V_偏置。R是计量器的电阻。 

我们将V(t)=V₀H(t-t₀)或H(t-t₀)认为是亥维赛函数。这一方程可以通过一方面考虑静态部分另一方面考虑瞬变部分来解。瞬变部分对应于增加的时间常数 指数： 

τ_th=C/(G_g+G_jauges+G_encastrement) 

稳态下的温度升高量ΔT对应于： 

$\mathrm{\ΔT}=V_0^2/R_{\mathrm{jauges}}(G_g+G_{\mathrm{jauges}}+G_{\mathrm{encastrement}})$

如果信号是交变的，则V₀是信号的RMS电压。 

结果，系统对温度增量的频率响应因此是（以Hz或rad.s^-1为单位）： 

$\mathrm{\Δ\ω}=\frac{\mathrm{\α}{\mathrm{\ω}}_0{V}_0^2}{R_{\mathrm{jauges}}(G_g+G_{\mathrm{jauges}}+G_{\mathrm{encastrements}})}$

通过选择具有非常低的热导率的计量器和嵌入部，系统的频率热响应Δω被最大化。此外，这一关系示出了，优选地，计量器及其嵌入部的热导率将被选择为尽可能低，从而最佳地看出气体的热导率的变化的作用。根据这一共振频率的变化，可以回到振动元件的温度变化并且从中推导出所述峰的成分。 

为了监测振动元件4的频率变化，传感器被置于电子振荡且频率或相位测量的环路中。传感器可以被置于锁相环路（PLL）或自动振荡环路中。因此，由传感器和电子器件形成的组件的分辨率取决于其频率稳定性、即频率σ_ω围绕额定频率在时间上的波动： 

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ω}}^2=\frac{S_{\mathrm{\ω}}(\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}_0)}{\mathrm{\τ}}$

通过系统固有的噪声设定的最小可测量的频率的频率分辨率，以及温度分辨率分别是： 

$\mathrm{\δ\ω}=\sqrt{\frac{(\frac{{\mathrm{\ω}}_0^2}{4Q^2}\frac{1}{{\mathrm{SNR}}^2}+\frac{{\mathrm{\ω}}_0\mathrm{\α}{k}_B\·T^2}{(G_{\mathrm{jauges}}+G_{\mathrm{encastrements}})})}{\mathrm{\τ}}}$

$\mathrm{\δT}=\frac{\sqrt{(\frac{{\mathrm{\ω}}_0^2}{4Q^2}\frac{1}{{\mathrm{SNR}}^2}+\frac{{\mathrm{\ω}}_0\mathrm{\α}{k}_B\·T^2}{(G_{\mathrm{jauges}}+G_{\mathrm{encastrements}})})}}{\mathrm{\α}\sqrt{\mathrm{\τ}}}$

这些分辨率利用工作温度、系统的读取和致动电压、材料的选择（特别是以下参数：依据所选择的材料不同地变化的温度系数α、电阻R和杨氏模量E）以及传感器的形态被优化。如上所述，热传导通过使梁相对支撑件绝缘和选择适合的材料被限定。 

可以选择不同的转换方法从而使噪声最小化，例如选择电容测量而不是使用用于这一类型的振动计量器的压阻计。 

图5示出了根据第一实施方式的传感器的一个备选实施方式。图5的传感器C2在悬挂装置的形状上不同于图1的传感器。 

相同的附图标记将用于描述执行相同功能的以及具有近似或类似结构的元件。 

图5的传感器包括通过由两个梁114形成的悬挂装置相对于基底2振动的元件4，所述两个梁114通过第一纵向端部与锚固柱C连接并且通过第二纵向端部与活动元件的纵向端部4.1连接。梁114与梁14的不同在于，其纵向轴线相对于轴线X倾斜并且在其第二纵向端部处与轴线Z会聚。在所示出的示例中，梁114相对于纵向轴线X倾斜45°的角度。 

在图1和5的示例中，悬挂装置包括两个梁。还可以考虑使它们包括一个梁或多于两个的梁。 

在图6A到6C中，示出了悬挂装置的其它示例性实施方式，其适用于相对基底悬挂振动元件。 

在图6A中，梁呈槽缝的形状。在图6B中，梁包括通过框形部214.2连接的两个笔直部214.1。这一实施方式使得可以非常有效地减小热量损失并且吸收扩张效应。 

在图6C中，悬挂装置包括通过悬挂梁314.2与基底2连接的笔直梁314.1，所述悬挂梁314.2垂直于笔直梁314.1。 

将可理解的是，悬挂装置的不同示例可以被组合，例如图6A的槽缝形梁或图6B的梁可以通过图6C的横向梁与基底连接。 

此外，悬挂装置可以由图6A到6C的多个梁形成。 

悬挂元件14（图1）、114（图5）是小的梁，所述小的梁是锚固部的一部分。它们是纳米线类型，具有大致等于计量器宽度（例如大约100nm）、小于形成振动传感器的悬挂梁宽度的宽度。 

在振动元件由圆盘或板形成的情况下，锚固部可以由梁或梁的组件形成（图6A到6B和图7）。对于大于1μm的长度，它们的尺寸优选地小于500nm。 

图6D中示出了锚固部的一个示例，所述锚固部用于呈板/圆盘或梁的形状的振动元件的悬挂部元件。锚固部A、B、C设有孔15，以使得可以更进一步地改善热绝缘。它们的直径例如为大约250nm或小于250nm，并且对于大约100nm的边到边的距离来说可以达到10nm。锚固部A和B在它们的整个表面上包括孔，并且锚固部C在其与悬挂梁连接的一侧的部分表面上包括孔。这一部分具有宽度L'，并且孔具有直径d。 

下面的表格示出了对于10μm的锚固部C的宽度L来说，锚固部C的孔的直径d和结构化部分的宽度L'的尺寸的示例。 

L′(μm)	d(nm)
		20	50
20	100
		50	200
50	250
		100	250

在图1和5的示例中，振动元件由梁形成。根据另一个示例性实施方式，形成共振器的悬挂元件可以是根据体积形变模式、例如以延伸模式振动的板或圆盘。 

图7示出了一个这种示例性实施方式。传感器C3的振动元件404由圆盘形成，所述圆盘通过两个在直径上相反的笔直梁414悬挂。传感器包括由电极形成的静电型的激励装置408，所述激励装置408由处于悬挂梁414一侧的圆盘404的边缘对面的基底2支撑。这些激励装置在基底的平面中的运动。传感器还包括由电极形成的电容型的检测装置412，所述检测装置412由处于悬挂 梁414另一侧的圆盘404的另一个边缘对面的基底支撑。电容检测装置412具有避免在振动元件404和支撑件2之间使用机械连接的优点，这减小了热量损失。此外，这使得可以在检测上具有较小的噪声，但元件稍微较厚，大约为μs左右到10μs，并且具有较大的热惯量。 

如图8A到8C所示，振动元件的厚度可以不同于悬挂梁的厚度，这使得可以生成具有小截面以减小热量损失的悬挂梁。作为一个示例，振动元件可以具有从100nm到5μm的厚度，梁可以具有从10nm到100nm的厚度。圆盘的直径可以包括在1μm和100μm之间。 

在所示出的示例中，振动元件形成呈圆盘形状的共振器，但其它形状也是可行的，例如正方形、矩形，或者是环形的或矩形的或甚至是正方形的框架的形状。 

加热装置410有利地由悬挂梁414形成，所述悬挂梁414被偏振并且确保了由焦耳效应实现的加热。 

电容检测装置的实施还具有使约翰逊噪声最小化的优点，所述约翰逊噪声于是将仅仅由电连接件产生。由此，例如，还可以通过使用用于致动的第一电极和用于检测的第二电极来考虑具有静电致动和电容检测的振动梁。 

备选地，可以将激励装置考虑为它们产生将被抵抗的悬挂元件的垂直于基底平面的运动，其称为平面外的运动。这种传感器的一个示例性实施方式在图13A和13B中示出。在本示例中，振动元件604是围绕由两个悬挂梁614形成的旋转轴线旋转的板，所述悬挂梁614经受扭转力、由金属线形成。第一电极608被置于振动元件下面的基底上，从而激励振动元件。第二电极612被设置为紧挨着第一电极以确保电容检测。备选地，两个电极参与激励，并且在给定的时间间隔下，检测由一个或两个电极完成。 

电极或者通过金属沉积形成，或者通过更强的局域掺杂形成。振动板可以由单晶硅制成。电极例如由掺杂的AlSi制成。 

嵌入部可以以相同的材料或另一种材料完成，例如热绝缘材料，例如为SiN；在这种情况下，精炼金属层被沉积在一个或多个嵌入部上以确保用于热量 损失最小化的电接触部。如上所述，嵌入部可以被纳米结构化，从而提供改善的热绝缘。 

作为一个示例，图11的结构可以具有以下尺寸： 

-L是振动板的宽度； 

-W是振动板的长度； 

-l是悬挂梁的长度； 

-t是振动板和计量器的厚度； 

-w是悬挂梁的宽度； 

-w2是电极的两个相反的面分开的距离； 

-w1是电极的两个相对的面分开的距离； 

-间隙是旋转轴线与振动板对面的电极的自由面之间的距离。 

参数

L

W

l

w

W1

W2

Lelec

t

间隙

典型值

12μm

12μm

1μm

50nm

w

0.8W

L

50nm

λ/4

所施加的用于加热的激励电压和偏振电压为大约从1V到20V。这是可以允许激励和加热的直流电压。于是其可以在不施加直流电压的情况下以频率w/2执行致动，在这种情况下，电压仅仅提供加热。如果加热和激励需要大小为相同数量级的电压，则所述电压可以是用于加热和激励；否则，致动以w/2完成并且直流电压仅对于加热有效。 

关于图6A到6C的如上所述的悬挂梁可以用于悬挂图7的共振器。 

备选地，可以考虑使传感器实施共振器，所述共振器由包括压阻检测装置的根据体积形变模式的振动元件构成。为此，检测到施加在悬挂梁上的应变，所述悬挂梁中的至少一个、优选两个也形成应变仪。于是运行类似于图1的运行。计量器也形成加热装置。备选地，可以提供一些专用于加热的悬挂梁以及另一些专用于压阻检测的悬挂梁。 

这一实施方式实施了呈板的形式的振动元件，其具有提供大的与气态环境的热交换表面的优点。 

根据依照本发明的传感器的第二实施方式，加热装置位于远离振动元件处， 并且加热由通过气态环境的传导发生。 

图9示出了根据第二实施方式的传感器的一个示例性实施方式，传感器C4还具有包括两个悬挂元件504、504'的特点。 

我们将详细描述振动元件504和与其相关联的装置；这一描述也适用于振动元件504'。 

振动元件504和关联装置近似于图1的传感器的振动元件和关联装置。振动元件504由具有纵向轴线X的梁构成，所述梁通过沿着垂直于轴线X的轴线Y对齐的两个梁514，通过其一个端部被悬挂在基底处。静电激励装置508被提供；它们包括面对振动元件504的侧边缘的电极。检测装置由压电计520形成，所述压电计520悬挂在振动元件与柱B之间，并且沿着垂直于纵向轴线X的轴线Y延伸。 

传感器C4包括加热装置510，所述加热装置510由有利地形成接触柱的两个锚固柱之间的悬挂线522形成；线522位于相隔振动元件504一距离gf处。优选地，线522平行于振动元件504，从而确保振动元件504在其整个长度上的均质的加热。 

将可理解的是，悬挂线522可以不是直线型的，而可以具有适用于传感器体积（bulk）的形状，例如呈之字形或其它形状，如图6A到6C中示出的那样。 

振动元件504'相对于沿着平行于轴线X的纵向轴线延伸的线522被定位在振动元件504对面。优选地，以相同的距离分开振动元件504'与线522以及振动元件504与线522，从而允许差动测量并且简化测量。 

如在第一实施方式中那样，悬挂装置和计量器具有小的截面，从而减小从悬挂元件504、504'朝向基底的热量损失。 

除了悬挂元件的加热之外，传感器C4的运行类似于传感器C1的运行。事实上，在这一实施方式中，悬挂元件通过线522和一个或多个悬挂元件504、504之间的热量传播被加热，所述传播主要由热传导通过待分析气体而产生。 

下面的表格提供了传感器C4的尺寸的一个示例。 

-w是悬挂元件504、504'的宽度； 

-l是悬挂元件504、504'的长度； 

-l1是计量器520和梁514之间的距离； 

-b是梁514的长度，其也是计量器520的长度； 

-s1是计量器520的截面； 

-s2是梁514的截面； 

-e是锚固柱C与梁514对面的侧边缘之间的距离； 

-p是计量器20.1和电极D之间的距离； 

-g是电极与在振动元件4对面的侧面之间的距离。 

-gf是线522与在振动元件504对面的侧面之间的距离。作为柱的体积的函数，gf可以被包括在100nm和1μm之间； 

-lf是线522的长度； 

-wf是线522的宽度。 

这一实施方式可以具有较高的检测效率，因为气体的特性参与加热悬挂元件。频率分辨率和温度分辨率可以如传感器C1那样被计算。 

实施了两个悬挂元件的图9的示例性实施方式具有得以使用差动测量以使得可以有助于读取的优点，因为消除了剩余的连续背景作用，例如缓慢的温度变化，该温度变化与由于加热装置以及与气态环境进行的热交换所引起的温度变化不同。 

也可以生成根据第二实施方式的仅具有单个振动元件的传感器C4。然而，这一传感器无法使执行差动测量成为可能。 

备选地，可以为每个振动元件提供两个计量器。 

根据形变模式振动的元件可以被实施在根据第二实施方式的传感器结构中。然而这一实施方式将具有比图9的传感器大的体积。 

通过使振动元件倍增，可以提高传感器的分辨率。这一方法由在大量采样 上取噪声的空间平均值来完成，由此以因子

减小噪声。 

这种测量装置包括n个传感器；由此获得了其分辨率被提高的测量装置。传感器通过交叉连接被关联，所述交叉连接优选地实施至少两个金属化水平。 

通过在每一个传感器中考虑相同的致动电压和相同的读出电流，将n个频率传感器平行布置使得可以减小约翰逊噪声和闪烁噪声。由此生成的传感器的矩阵可以被集合地编址（addressed）、即通过使用用于网络的输入和输出来集合地编址，或者被单个地编址、即每个传感器都具有其自身的致动和读取。 

悬挂结构可以由不同的材料产生，例如N型或P型掺杂的硅、Ge、SiGe。有利地，多孔硅可以被使用，从而增大振动元件的热交换表面。其特别地可以构成用于具有两个厚度的结构的第二厚度层。 

悬挂结构还可以被金属（例如Al、AlSi、TiN）覆盖。 

具有悬挂结构的根据本发明的传感器例如可以使用与文献EP1840582中描述的方法类似的方法制成，在所述悬挂结构中，振动元件具有比计量器和悬挂梁的厚度大的厚度。 

图10A到10H同是生产方法的不同步骤的示意图。 

在所描述的示例中，使用了SOI（绝缘体上的硅）板，如图10A所示。SOI基底包括硅层26和单晶硅层28，层26、28被SiO₂层30分开。单晶硅层28形成正面。 

在第一步过程中，SiO₂氧化物层32被沉积在层28上。由此形成的元件在图10B中示出。 

在随后的步骤过程中，例如利用硼，位于氧化物层30和氧化物层32之间的硅层28的P++掺杂被完成。 

穿过氧化物层的掺杂允许掺杂物在层28中更均质的分布。所获得的掺杂为大约1.10¹⁹at./cm³。这一掺杂导致硅的电阻温度系数的最大化。 

由此形成的元件在图10C中示出。掺杂用点表示。 

在随后的步骤过程中，氧化物层32被移除并且树脂层33被沉积，其中轮 廓通过光刻法限定出树脂32中的图案，所述光刻法例如是深紫外线（DUV）光刻法或DUV和电子束（e-beam）混合光刻法。这些光刻方法是本领域技术人员公知的，并且将不详细描述。电子束光刻法使得可以消除在纳米级装置的蚀刻过程中与光的衍射相关的影响。 

由此形成的元件在图10D中示出。 

在随后的步骤过程中，硅层例如通过各向异性的反应离子蚀刻（RIE）而被蚀刻。 

由此形成的元件在图10E中示出。 

在随后的步骤过程中，SiO₂化学沉积物34在被蚀刻的硅层28上完成，其然后例如通过等离子蚀刻而被蚀刻以限定电接触部的位置36。由此获得的元件在图10F中示出。 

可选地，在图12的示例性实施方式中，可以执行两个额外的光刻（例如电子束）和反应离子蚀刻（RIE）步骤，以使得悬挂部和/或计量器的嵌入区域上的硅纳米结构化。 

电接触部38接下来例如通过沉积铝而被构成，例如通过喷涂进行所述沉积。由此获得的元件在图10G中示出。 

在随后的步骤过程中，例如使用氢氟酸蒸汽，例如通过对层30蚀刻，振动元件被释放（freed）。 

被释放的结构在图10H中可见。 

由此获得由单块悬挂的单晶硅形成的结构。 

根据本发明的热流量传感器使得可以生成气体浓度传感器。 

如以上所指出的那样，所述传感器特别适用于与气体色谱微柱相关联。一个或多个传感器被定位在在微柱的出口处串联连接的通道中，并且使得可以检测分析物峰。事实上，与基底热绝缘的振动元件可以具有比色谱峰的宽度小的热时间常数τth，优选地比色谱峰的宽度小因子10。 

Claims (26)

1.一种热流量传感器，其包括：

-支撑件（2），

-被称为振动元件的意在相对于支撑件（2）振动的至少一个元件（4、404、504、504'），

-用于使所述振动元件（4、404、504、504'）相对于支撑件（2）绝缘的悬挂和热绝缘装置（14、114），

-用于加热振动元件（4、404、504、504'）的装置（10、410、510），

-用于激励所述振动元件（4、404、504、504'）从而使振动元件以其共振频率振动的装置（8），

-用于检测由振动元件的温度变化引起的振动元件（4、404、504、504'）的共振频率变化的装置（12、412），所述温度变化由于与周围气体的热交换而产生。

2.根据权利要求1所述的热流量传感器，其中，所述悬挂和热绝缘装置（14、114）包括至少一个梁，所述至少一个梁被设定尺寸（截面、长度、形状）为使得从振动元件（4、404、504、504'）朝向支撑件（2）通过悬挂装置的热量损失被减小。

3.根据权利要求1或2所述的热流量传感器，其中，所述悬挂和热绝缘装置（14、114）包括至少两个梁，所述至少两个梁在振动元件（4、404、504、504'）的两侧对齐或相对于彼此倾斜并且具有共用的与所述振动元件（4、404、504、504'）的连结部。

4.根据权利要求2所述的热流量传感器，其中，所述梁（14、114）具有包括在10×10nm²和250×250nm²之间的截面，并且所述截面优选地等于50×50nm²。

5.根据权利要求21或3所述的热流量传感器，其中，所述梁（14、114）具有非直线型的形状。

6.根据权利要求5所述的热流量传感器，其中，所述梁具有蜿蜒的形状或在两个区段之间具有至少一个空心矩形的形状。

7.根据权利要求2所述的传感器，其中，所述梁由热绝缘材料制成。

8.根据权利要求1或2所述的传感器，其中，所述悬挂和热绝缘装置包括由纳米结构化材料形成的用于锚固到所述支撑件（2）的区域。

9.根据权利要求1或2所述的传感器，其中，所述加热装置（10、410、510）是通过焦耳效应运行的加热装置。

10.根据权利要求9所述的传感器，其中，所述加热装置（10、510）与所述振动元件（4、404）直接接触。

11.根据权利要求10所述的传感器，其中，所述加热装置（10、410）由至少一个与偏振源和所述振动元件（4、404）连接的导电元件形成。

12.根据权利要求1或2所述的传感器，其中，所述检测装置（12）由至少一个与所述振动元件机械地连接的压阻计（20.1、20.2）形成。

13.根据权利要求12所述的传感器，其中，所述加热装置（12、412）由至少一个与偏振源和所述振动元件（4、404）连接的导电元件形成，并且其中，至少一个压阻计（20.1、20.2）形成焦耳效应加热装置（10）。

14.根据权利要求1或2所述的传感器，其中，所述加热装置（510）位于与所述振动元件（504、504'）分离处，加热由所述加热装置（510）和所述振动元件（504、504'）之间通过气态环境的传导而获得。

15.根据权利要求14所述的传感器，其中，所述加热装置（510）由悬挂线（522）形成。

16.根据权利要求14所述的传感器，所述传感器包括被定位在所述加热装置（510）两侧从而执行差动测量的两个振动元件（504、504'）。

17.根据权利要求1或2所述的传感器，其中，所述振动元件（404）是根据体积形变模式的振动元件。

18.根据权利要求1或2所述的传感器，其中，所述振动元件（404）是旋转振动元件。

19.根据权利要求1或2所述的传感器，其中，所述检测装置（12）包括提供差动测量的两个压阻计。

20.根据权利要求1或2所述的传感器，其中，所述检测装置（412）是电容检测装置。

21.根据权利要求1或2所述的传感器，其中，所述激励装置（8）是静电激励装置。

22.一种热流量测量系统，其包括多个根据权利要求1到21中的任一项所述的传感器。

23.一种用于确定气态环境的浓度的系统，所述系统包括至少一个根据权利要求1到21中的任一项所述的热流量传感器或根据权利要求22所述的系统、用于处理由热流量传感器传送的电压值的电子器件。

24.根据权利要求23所述的确定系统，其中，所述至少一个传感器置于电子振荡且频率或相位测量的环路中。

25.一种用于分析气体或气体混合物的装置，所述装置包括气体色谱柱以及至少一个根据权利要求24所述的用于确定浓度的系统，所述确定系统被定位在与气体色谱柱的出口连接的通道中。

26.一种用于测量热流量的方法，所述方法使用根据权利要求1到21中的任一项所述的热流量传感器，所述方法包括：

-通过热流量传感器进行的对由振动元件的温度变化引起的振动元件的频率变化的单次测量的步骤，所述温度变化由于与周围气体的热交换而产生。

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