[發明專利]一種支撐梁式MEMS復合傳感器及其制備和測試方法

有效

• 申請號: 201710330728.4
• 申請日: 2017-05-11
• 公開（公告）號: CN107037079B
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發明（設計）人: 趙立波;黃祥祥;夏勇;徐廷中;郭鑫;羅運運
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20;G01N25/18
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 王霞

本發明公開的一種支撐梁式MEMS流體熱導率和熱擴散系數傳感器及其制備和測試方法，加熱器設置在基底的上表面中央，焊盤位于基底上表面加熱器的旁邊，和加熱器連接，絕緣層薄膜覆蓋在加熱器、焊盤和基底之上，絕緣層薄膜上在加熱器兩側開有空腔，基體底部開有背腔，形成支撐梁結構。加熱器同時作為溫度傳感器；加熱器為細長帶狀結構，分別由四根引線連接加熱器與焊盤。傳感器利用背腔使待測流體作為基底，可直接對待測流體熱導率和熱擴散率進行測量，簡化了測試流程。本發明所提出的傳感器可用于測量導電和非導電微量液體的熱導率及熱擴散系數。

技術領域

本發明屬于測量熱導率和熱擴散系數的傳感器技術領域，具體涉及一種支撐梁式MEMS流體熱導率和熱擴散系數傳感器及其制備和測試方法。

背景技術

熱導率和熱擴散系數是物質重要的熱物性參數，國際上對于熱導率和熱擴散系數的測量和應用都進行了深入的研究。近年來，隨著納米科技、MEMS(Micro Electro-mechanical Systems,微型機械電子系統)、低維材料、納米生物科技等高新技術的迅速發展，許多研究對象已進入亞微米甚至納米尺度，對小體積液體樣品熱物性參數的測量需求增加。

常用液體熱導率和熱擴散系數測量方法有穩態法和瞬態法，穩態法測量時間長，流體會產生對流，誤差大。熱線法作為常用瞬態法運用廣泛，采用直流熱線對液體加熱，測量熱線溫升變化，根據傳熱數學模型和溫度變化的理論公式計算出被測試樣的熱導率和熱擴散系數。但液體和熱絲之間的溫差會引起液體的自然對流，并且熱絲浸泡在待測液體之中，對液體的需求量大。

通過對熱絲通交流電的3ω諧波測量方法可有效改善液體對流現象，但被測液體量依舊很大。3ω法可與MEMS技術相結合，可有效減小被測液體體積。采用3ω法測量流體熱導率時，溫度波動被控制在1K之內，可以有效地減小對流和輻射的影響。與傳統的熱物性表征方法相比較，3ω方法的一個顯著的特點是利用探測器溫升的頻域特性關系推導熱物性參數，這一特點使得3ω方法響應信號強、測量熱導率上限高。但是，對于導電液體的測量，附加的絕緣層薄膜會增加測量誤差，特別是當測量頻率太大時，熱滲透深度變小，絕緣層薄膜對測量結果的影響會更大。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種支撐梁式MEMS流體熱導率和熱擴散系數傳感器及其制備和測試方法，該傳感器的測量精度高，效果好；測試方法簡化，操作方便。

本發明是通過以下技術方案來實現：

本發明公開了一種支撐梁式MEMS流體熱導率和熱擴散系數傳感器，包括基底，在基底的上、下表面均設有復合支撐薄膜層，在基底上表面的復合支撐薄膜層上設有加熱器和焊盤，加熱器和焊盤通過引線相連；在基底上表面的復合支撐薄膜層上方還設有絕緣層薄膜，絕緣層薄膜覆蓋加熱器和焊盤；

在加熱器兩側復合支撐薄膜層及絕緣層薄膜的厚度方向上分別通過刻蝕形成一個絕熱溝槽，兩個絕熱溝槽之間未刻蝕部分形成一個薄膜支撐梁；在絕熱溝槽開設位置下方的基底及基底下表面復合支撐薄膜層的厚度方向上通過濕法腐蝕形成一個背腔，絕熱溝槽與背腔相通形成通孔。

所述復合支撐薄膜層包括二氧化硅薄膜層和氮化硅薄膜層，二氧化硅薄膜層與基底上、下表面接觸；二氧化硅薄膜層和氮化硅薄膜層厚度均為100～200nm。

所述焊盤包括第一焊盤、第二焊盤、第三焊盤和第四焊盤；第一焊盤和第四焊盤分別與加熱器的兩端相連，第二焊盤和第三焊盤通過引線分別與加熱器中段相連。

所述基底由硅制成，厚度為0.2～0.5μm；絕緣層薄膜由二氧化硅或氮化硅制成，厚度為100～200nm；

加熱器為線狀金屬帶，寬20μm，長為1.8mm，厚50～200nm；加熱元件部分長0.8mm。

絕熱溝槽為長方體，長0.7mm、寬0.3mm，高度等于復合支撐薄膜層與其上方的絕緣層薄膜厚度之和。