CN118549496A - 一种热导式气体传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热导式气体传感器及其制备方法，涉及热导式气体传感器技术领域。该热导式气体传感器包括基底、支撑膜和加热丝，基底设置有凹槽和连通外界的导气通道，导气通道与凹槽连通；支撑膜设置在支撑部的上方并封闭凹槽的槽口以构成空腔，支撑膜与槽口重合的部分构成悬膜区；加热丝位于悬膜区并与悬膜区共同构成加热区，加热区朝向空腔的一侧能够通过导气通道与外界气体进行热交换。本发明的热导式气体传感器，其空腔通过导气通道与外界连通，以使加热区的上表面和下表面都能够与外界气体进行热交换，由此提高热导式气体传感器的灵敏度。

Description

一种热导式气体传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及热导式气体传感器技术领域，具体而言，涉及一种热导式气体传感器及其制备方法。

背景技术

热导式气体传感器依靠不同被测气体具有不同的热导率来实现对气体浓度的测量，其具有结构简单、测量范围广、不依靠氧气、不易受气压变化影响、工作寿命长等优点，因此被广泛应用于气体成分和浓度检测领域中。

而现有的热导式气体传感器一般采用空腔悬膜结构，其中包括基底，基底一般由基础部和支撑部，支撑部上方设置有支撑膜并与支撑膜构成凹腔，此后利用粘胶将支撑部以胶接的方式与基础部固定连接，在粘胶作用下，基础部将凹腔密封并构成空腔，空腔正上方为支撑膜的悬膜区，悬膜区中设置有加热区，在这种密封结构下，外界气体无法进入空腔因此加热区的下表面无法与外界气体进行热交换（只有加热区的上表面能够与外界气体进行热交换），以致降低了热导式气体传感器的灵敏度。

针对上述问题，目前尚未有有效的技术解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热导式气体传感器及其制备方法，其空腔通过导气通道与外界连通，以使加热区的上表面和下表面都能够与外界气体进行热交换，由此提高热导式气体传感器的灵敏度。

第一方面，本发明提供一种热导式气体传感器，包括：

基底，所述基底设置有凹槽和连通外界的导气通道，所述导气通道与所述凹槽连通；

支撑膜，所述支撑膜设置在所述基底的上方并封闭所述凹槽的槽口以构成空腔，所述支撑膜与所述槽口重合的部分构成悬膜区；

加热丝，所述加热丝位于所述悬膜区并与所述悬膜区共同构成加热区，所述加热区朝向所述空腔的一侧能够通过所述导气通道与外界气体进行热交换。

本发明提供的热导式气体传感器通过设置导气通道解决了以往加热区的下表面无法与外界气体进行热交换的问题，弥补了现有技术的不足，提高了热导式气体传感器的灵敏度。

进一步的，所述加热丝设置在所述支撑膜内或设置在所述支撑膜的上方。

进一步的，所述加热区位于所述导气通道的正上方。

有利于确保外界气体通过导气通道进入空腔后能够更快地与加热区的下表面接触，实现更高效的热交换。

进一步的，所述导气通道的宽度小于所述悬膜区的宽度。

确保基底足够稳固地承托支撑膜，有利于确保器件的强度和可靠性。

进一步的，所述支撑膜为多层复合结构，所述多层复合结构包括交替层叠的二氧化硅层和氮化硅层。

进一步的，所述基底包括基础部和支撑部，所述支撑部胶接在所述基础部的上方且与所述基础部围闭构成所述凹槽。

进一步的，还包括壳体，所述壳体将所述基底、所述支撑膜和所述加热丝包围在内。

进一步的，所述壳体靠近所述加热区的一侧设置有至少一个连通外界的通气孔，所述加热区背向所述空腔的一侧能够通过所述通气孔与外界气体进行热交换，且所述导气通道与所述通气孔连通以使所述加热区朝向所述空腔的一侧能够与外界气体进行热交换。

实现上下表面均能够与气体进行热交换，这能够有效提高热导式气体传感器的灵敏度。

进一步的，所述壳体包括陶瓷支撑壁和金属透气板，所述金属透气板设置在所述陶瓷支撑壁的上方且所有所述通气孔均设置在所述金属透气板上。

第二方面，本发明提供了一种用于制备上述的所述热导式气体传感器的制备方法，所述热导式气体传感器的基底包括基础部和支撑部，所述制备方法包括以下步骤：

S1.采用LPCVD或PECVD工艺，在所述基底的支撑部上制作所述支撑膜；

S2.采用光刻或磁控溅射工艺，在所述支撑膜上制作所述加热丝；

S3.采用光刻或刻蚀工艺，在所述支撑部上制作所述凹槽以形成所述悬膜区；所述加热丝位于所述悬膜区中并与所述悬膜区共同构成加热区；

S4.采用光刻或刻蚀工艺，在所述基底的基础部上制作所述导气通道；所述导气通道位于所述加热区正下方；

S5.采用粘胶将所述支撑部与所述基础部胶接为一体。

由上可知，本发明提供的热导式气体传感器通过在基底上设置与外界连通的导气通道以此将外界气体引入到空腔中与加热区的下表面接触，从而使得加热区的上表面和下表面同时能够与外界气体进行热交换，进而有效提高热导式气体传感器的灵敏度。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1为本发明实施例提供的热导式气体传感器的第一种结构示意图。

图2为本发明实施例提供的第一种热导式气体传感器的俯视图。

图3为本发明实施例提供的热导式气体传感器的第二种结构示意图。

图4为本发明实施例提供的制备方法的一种流程图。

图5为本发明实施例依据制备方法制备第一种热导式气体传感器的过程的示意图。

标号说明：

100、基底；110、导气通道；120、基础部；130、支撑部；200、支撑膜；210、悬膜区；300、空腔；400、加热丝；410、加热区；500、壳体；510、通气孔；520、陶瓷支撑壁；530、金属透气板；540、信号引出端；550、键合线；600、保护膜。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参照图1，图1是热导式气体传感器的结构示意图。结合参考附图2和附图3，该热导式气体传感器包括：

基底100，基底100设置有凹槽和连通外界的导气通道110，导气通道110与凹槽连通；

支撑膜200，支撑膜200设置在基底100的上方并封闭凹槽的槽口以构成空腔300，支撑膜200与槽口重合的部分构成悬膜区210；

加热丝400，加热丝400位于悬膜区210并与悬膜区210共同构成加热区410，加热区410朝向空腔300的一侧能够通过导气通道110与外界气体进行热交换。

本实施例中，通过在基底100设置与外界连通的导气通道110，使得外界气体能够通过导气通道110进入到空腔300中并与加热区410的下表面接触实现热交换，相比于传统的热导式气体传感器，由于加热区410的上表面和下表面同时都能够与外界气体进行热交换（加热区410的上表面本身就暴露在外），因此具有更高的灵敏度。

具体的，加热丝400可以由Pt或Ti金属材料制成。

在某些实施例中，参考附图1、附图2和附图3，加热丝400设置在支撑膜200内或设置在支撑膜200的上方，可以通过光刻、磁控溅射等工艺制备出图形化的金属电极并以此作为加热丝400。

在某些实施例中，参考附图1、附图2和附图3，加热区410位于导气通道110的正上方，有利于确保外界气体通过导气通道110进入空腔300后能够更快地与加热区410的下表面接触，实现更高效的热交换。

在某些实施例中，参考附图1、附图2和附图3，导气通道110的宽度小于悬膜区210的宽度，为确保基底100足够稳固地承托支撑膜200，因此导气通道110不宜设置过大，有利于确保器件的强度和可靠性。

进一步的，导气通道110的深度小于基底100厚度的10%，可以进一步确保器件的强度和可靠性。

在某些实施例中，支撑膜200为多层复合结构，多层复合结构包括交替层叠的二氧化硅层和氮化硅层,例如，多层复合结构具体为由第一层的SiO₂、第二层的SiN和第三层的SiO₂组成的三层复合膜结构。

在某些实施例中，参考附图1、附图2和附图3，基底100包括基础部120和支撑部130，支撑部130胶接在基础部120的上方且与基础部120围闭构成凹槽，将基底100拆分成基础部120和支撑部130更有利于加工。

在某些实施例中，热导式气体传感器还包括保护膜600，保护膜600覆盖在加热丝400上且用于将加热丝400压盖在支撑膜200上。

进一步的，参考附图5，有选择地在保护膜600上开设窗口，所开设的窗口主要用于暴露出局部位置，例如开设暴露加热丝400焊盘的窗口以便于焊盘外接电源线。

在某些实施例中，参考附图3，热导式气体传感器还包括壳体500，壳体500将基底100、支撑膜200和加热丝400包围在内。

实际应用中，壳体500主要用于将基底100、支撑膜200和加热丝400等结构封装成器件以此投入实际使用。

其中基底100以下两种设置方式：

1、基础部120作为胶接在壳体100内部的衬底（参考附图1）；

2、基础部120作为壳体500本身存在的底板（参考附图3）。

进一步的，壳体500中还设置有信号引出端540，加热丝400通过键合线550与信号引出端540连接，键合线550的弧顶高度小于壳体500的顶面高度。

在某些实施例中，参考附图3，壳体500靠近加热区410的一侧设置有至少一个连通外界的通气孔510，加热区410背向空腔300的一侧能够通过通气孔510与外界气体进行热交换，且导气通道110与通气孔510连通以使加热区410朝向空腔300的一侧能够与外界气体进行热交换。

本实施例中，加热区410的上表面通过通气孔510与外界气体进行热交换，而导气通道110被封装在壳体500内且同样通过通气孔510将外界气体引入到空腔中从而令加热区410的下表面与外界气体进行热交换，实现上下表面均能够与气体进行热交换，这能够有效提高热导式气体传感器的灵敏度。

在某些实施例中，参考附图3，壳体500包括陶瓷支撑壁520和金属透气板530，金属透气板530设置在陶瓷支撑壁520的上方且所有通气孔510均设置在金属透气板530上。

在实际应用中，金属透气板530采用胶或焊锡膏胶接在陶瓷支撑壁520的上方且优选的厚度在0.05mm-0.3mm之间。

请参照图4，图4是用于制备上述实施例中的热导式气体传感器的制备方法的流程图。结合参考附图5，热导式气体传感器的基底包括基础部和支撑部，该制备方法，包括以下步骤：

S1.采用LPCVD或PECVD工艺，在基底的支撑部上制作支撑膜；

S2.采用光刻或磁控溅射工艺，在支撑膜上制作加热丝；

S3.采用光刻或刻蚀工艺，在支撑部上制作凹槽以形成悬膜区；加热丝位于悬膜区中并与悬膜区210共同构成加热区；

S4.采用光刻或刻蚀工艺，在基底的基础部上制作导气通道；导气通道位于加热区正下方；

S5.采用粘胶将支撑部与基础部胶接为一体。

在实际生产制作过程中，在同一原材上以减材的方式加工出凹槽和导气通道，其加工难度大、加工工序复杂导致加工成本较高，特别是梯形的凹槽。因此本实施例中，支撑部和基础部采用分体加工的方式，两者分别完成加工后再键合为一体，其加工难度更低、工序更简单、效率更高，因此成本更加低廉。

具体的，步骤S5中包括如下两种方式：

S5A1.当基础部120作为胶接在壳体100内部的衬底时，采用键合胶将支撑部与基础部键合为一体，此后再采用固晶胶将基础部120固连在壳体500的底板上；

S5B1.当基础部120作为壳体500本身存在的底板时，采用固晶胶将支撑部与基础部固连为一体。

在某些实施例中，参考附图5，步骤S2和步骤S3之间还包括步骤：

S6.采用PECVD工艺，在加热丝上制作保护膜，以使保护膜将加热丝压盖在支撑膜上；

S7.有选择地在保护膜上开设窗口，以使加热丝的焊盘暴露在外。

在某些实施例中，步骤S5之后还包括：

S8.在导气通道外的基底区域上点胶并使用第一治具将陶瓷支撑壁贴装到基底上并设置信号引出端；

S9.采用引线键合工艺，通过键合线连接信号引出端和加热丝；

S10.使用第二治具将与陶瓷支撑壁匹配的金属透气板胶接到陶瓷支撑壁的上方，得到热导式气体传感器。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热导式气体传感器，其特征在于，包括：

基底（100），所述基底（100）设置有凹槽和连通外界的导气通道（110），所述导气通道（110）与所述凹槽连通；

支撑膜（200），所述支撑膜（200）设置在所述基底（100）的上方并封闭所述凹槽的槽口以构成空腔（300），所述支撑膜（200）与所述槽口重合的部分构成悬膜区（210）；

加热丝（400），所述加热丝（400）位于所述悬膜区（210）并与所述悬膜区（210）共同构成加热区（410），所述加热区（410）朝向所述空腔（300）的一侧能够通过所述导气通道（110）与外界气体进行热交换。

2.根据权利要求1所述的热导式气体传感器，其特征在于，所述加热丝（400）设置在所述支撑膜（200）内或设置在所述支撑膜（200）的上方。

3.根据权利要求1所述的热导式气体传感器，其特征在于，所述加热区（410）位于所述导气通道（110）的正上方。

4.根据权利要求1所述的热导式气体传感器，其特征在于，所述导气通道（110）的宽度小于所述悬膜区（210）的宽度。

5.根据权利要求1所述的热导式气体传感器，其特征在于，所述支撑膜（200）为多层复合结构，所述多层复合结构包括交替层叠的二氧化硅层和氮化硅层。

6.根据权利要求1所述的热导式气体传感器，其特征在于，所述基底（100）包括基础部（120）和支撑部（130），所述支撑部（130）胶接在所述基础部（120）的上方且与所述基础部（120）围闭构成所述凹槽。

7.根据权利要求1所述的热导式气体传感器，其特征在于，还包括壳体（500），所述壳体（500）将所述基底（100）、所述支撑膜（200）和所述加热丝（400）包围在内。

8.根据权利要求7所述的热导式气体传感器，其特征在于，所述壳体（500）靠近所述加热区（410）的一侧设置有至少一个连通外界的通气孔（510），所述加热区（410）背向所述空腔（300）的一侧能够通过所述通气孔（510）与外界气体进行热交换，且所述导气通道（110）与所述通气孔（510）连通以使所述加热区（410）朝向所述空腔（300）的一侧能够与外界气体进行热交换。

9.根据权利要求8所述的热导式气体传感器，其特征在于，所述壳体（500）包括陶瓷支撑壁（520）和金属透气板（530），所述金属透气板（530）设置在所述陶瓷支撑壁（520）的上方且所有所述通气孔（510）均设置在所述金属透气板（530）上。

10.一种用于制备如权利要求1-9任一项所述热导式气体传感器的制备方法，其特征在于，所述热导式气体传感器的基底包括基础部和支撑部，所述制备方法包括以下步骤：

S1.采用LPCVD或PECVD工艺，在所述基底的支撑部上制作所述支撑膜；

S2.采用光刻或磁控溅射工艺，在所述支撑膜上制作所述加热丝；

S3.采用光刻或刻蚀工艺，在所述支撑部上制作所述凹槽以形成所述悬膜区；所述加热丝位于所述悬膜区中并与所述悬膜区共同构成加热区；

S4.采用光刻或刻蚀工艺，在所述基底的基础部上制作所述导气通道；所述导气通道位于所述加热区正下方；

S5.采用粘胶将所述支撑部与所述基础部胶接为一体。