氣體納米熱量計(jì) XEN-39390 系列

1. 介紹

1.1 關(guān)于本應(yīng)用說(shuō)明書(shū)

本應(yīng)用說(shuō)明書(shū)旨在幫助使用 Xensor 薄膜熱量計(jì)芯片（用于氣體和接口電子設(shè)備）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的用戶，指導(dǎo)他們?nèi)绾卧O(shè)置和執(zhí)行實(shí)驗(yàn)。它將提供一些理論背景信息、實(shí)用指導(dǎo)、具體應(yīng)用及其他用戶工作的參考。此應(yīng)用說(shuō)明書(shū)并非詳盡無(wú)遺。因此，如果您在使用過(guò)程中遇到問(wèn)題或有任何問(wèn)題，或者您有有用的信息或有趣的應(yīng)用案例希望分享，我們非常歡迎您為改進(jìn)本說(shuō)明書(shū)提供貢獻(xiàn)。

1.2 簡(jiǎn)短描述

介紹
Xensor 提供兩種類型的納米熱量計(jì)芯片，一種是基于較厚的單晶硅膜，另一種是基于薄氮化硅膜。
第一種類型的熱量計(jì)芯片具有較低的熱隔離性，但它們非常堅(jiān)固，適用于液體和慢速應(yīng)用（XEN-LCM2506，XEN-LCMquad，XEN-NCM9924）。它們?cè)凇禢ano cals》文檔中有所描述。
基于約 1 μm 厚度的 SiN 薄膜的熱量計(jì)芯片在本文檔中有所描述。它們較為脆弱，但具有極好的熱隔離性和快速響應(yīng)，因此更適合應(yīng)用于氣體環(huán)境以及快速測(cè)量，如快速掃描熱量法（Fast Scanning Calorimetry）。
本文檔中描述的所有芯片的外部尺寸為 3.33×2.50 mm，厚度為 0.3 mm，唯一例外是 XEN-39397，其尺寸為 5.0×3.3 mm。接下來(lái)，我們將首先提供關(guān)于薄膜熱量計(jì)芯片和快速掃描熱量法的背景信息。然后，我們將提供各種設(shè)備的技術(shù)數(shù)據(jù)，并展示設(shè)備的照片和一些詳細(xì)信息。

盡管已經(jīng)有大量關(guān)于單晶硅膜熱量計(jì)芯片的研究（技術(shù)剖面見(jiàn)圖 2.1a），但關(guān)于介電膜熱量計(jì)芯片的研究更多。這里，推薦使用基于低應(yīng)力氮化硅層的膜，因?yàn)檫@種層具有優(yōu)異的機(jī)械性能以及相對(duì)較低的熱導(dǎo)率。通常，這種富硅的 SiN 層的折射率約為 2.2，硅與氮的化學(xué)計(jì)量比大約為 0.9（常規(guī)比值為 0.75）。為了方便起見(jiàn)，這種層被指定為 SiN。
這種設(shè)備的技術(shù)結(jié)構(gòu)如圖 2.1b 所示。SiN 的低熱導(dǎo)率以及其較小的厚度，使得該膜在真空中的熱阻通常為 5-50 kK/W，而單晶硅封閉膜的熱阻為幾百 K/W。這樣，我們能夠檢測(cè)到更小的熱效應(yīng)。然而，為了不影響高熱阻，熱電堆通常在這些設(shè)備中的靈敏度較低，約為 1-5 mV/K。因此，在空氣中的總體靈敏度通常為 10-100 V/W，約為硅膜芯片的一個(gè)數(shù)量級(jí)。
薄膜膜芯片也已在液體應(yīng)用中進(jìn)行試驗(yàn)，但對(duì)于液體應(yīng)用需要其他設(shè)計(jì)，本文不討論。對(duì)于干燥應(yīng)用，薄介電膜特別適用。干燥應(yīng)用包括化學(xué)傳感、高速掃描熱量法應(yīng)用、CMOS工藝層的熱學(xué)和熱電性能測(cè)量、薄膜的材料研究和磁性研究等。

設(shè)計(jì)
XI-200 / XEN-TCG3880 和其前身 XI-120 / XENTCG3575 已廣泛用于熱量計(jì)應(yīng)用。這些芯片是為另一種應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，即測(cè)量氣體的熱導(dǎo)率。因此，某些功能已針對(duì)該應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，這對(duì)熱量計(jì)性能產(chǎn)生了不利影響。特別是，發(fā)熱器有效地由約 100×5 μm 的兩條帶狀物組成，彼此間隔 50 μm，熱電堆熱接點(diǎn)位于距發(fā)熱條約 50-100 μm 的地方，見(jiàn)圖 2.2 和圖 2.3。
這導(dǎo)致熱電堆的熱接點(diǎn)與加熱器之間的溫度差比加熱器的溫度低，差異可能達(dá)到幾十個(gè)百分點(diǎn)。因此，為了獲得正確的結(jié)果，必須進(jìn)行廣泛的建模。特別是 Schick 小組在這一領(lǐng)域做了大量工作，更多相關(guān)的出版物可以在他們的網(wǎng)站上找到。