Xensor,XEN-393,XEN-394,微型薄膜热量计传感器

气体纳米热量计 XEN-39390 系列

1. 介绍

1.1 关于本应用说明书

本应用说明书旨在帮助使用 Xensor 薄膜热量计芯片（用于气体和接口电子设备）进行实验的用户，指导他们如何设置和执行实验。它将提供一些理论背景信息、实用指导、具体应用及其他用户工作的参考。此应用说明书并非详尽无遗。因此，如果您在使用过程中遇到问题或有任何问题，或者您有有用的信息或有趣的应用案例希望分享，我们非常欢迎您为改进本说明书提供贡献。

1.2 简短描述

介绍
Xensor 提供两种类型的纳米热量计芯片，一种是基于较厚的单晶硅膜，另一种是基于薄氮化硅膜。
第一种类型的热量计芯片具有较低的热隔离性，但它们非常坚固，适用于液体和慢速应用（XEN-LCM2506，XEN-LCMquad，XEN-NCM9924）。它们在《Nano cals》文档中有所描述。
基于约 1 μm 厚度的 SiN 薄膜的热量计芯片在本文档中有所描述。它们较为脆弱，但具有极好的热隔离性和快速响应，因此更适合应用于气体环境以及快速测量，如快速扫描热量法（Fast Scanning Calorimetry）。
本文档中描述的所有芯片的外部尺寸为 3.33×2.50 mm，厚度为 0.3 mm，唯一例外是 XEN-39397，其尺寸为 5.0×3.3 mm。接下来，我们将首先提供关于薄膜热量计芯片和快速扫描热量法的背景信息。然后，我们将提供各种设备的技术数据，并展示设备的照片和一些详细信息。

尽管已经有大量关于单晶硅膜热量计芯片的研究（技术剖面见图 2.1a），但关于介电膜热量计芯片的研究更多。这里，推荐使用基于低应力氮化硅层的膜，因为这种层具有优异的机械性能以及相对较低的热导率。通常，这种富硅的 SiN 层的折射率约为 2.2，硅与氮的化学计量比大约为 0.9（常规比值为 0.75）。为了方便起见，这种层被指定为 SiN。
这种设备的技术结构如图 2.1b 所示。SiN 的低热导率以及其较小的厚度，使得该膜在真空中的热阻通常为 5-50 kK/W，而单晶硅封闭膜的热阻为几百 K/W。这样，我们能够检测到更小的热效应。然而，为了不影响高热阻，热电堆通常在这些设备中的灵敏度较低，约为 1-5 mV/K。因此，在空气中的总体灵敏度通常为 10-100 V/W，约为硅膜芯片的一个数量级。
薄膜膜芯片也已在液体应用中进行试验，但对于液体应用需要其他设计，本文不讨论。对于干燥应用，薄介电膜特别适用。干燥应用包括化学传感、高速扫描热量法应用、CMOS工艺层的热学和热电性能测量、薄膜的材料研究和磁性研究等。

设计
XI-200 / XEN-TCG3880 和其前身 XI-120 / XENTCG3575 已广泛用于热量计应用。这些芯片是为另一种应用而设计的，即测量气体的热导率。因此，某些功能已针对该应用进行了优化，这对热量计性能产生了不利影响。特别是，发热器有效地由约 100×5 μm 的两条带状物组成，彼此间隔 50 μm，热电堆热接点位于距发热条约 50-100 μm 的地方，见图 2.2 和图 2.3。
这导致热电堆的热接点与加热器之间的温度差比加热器的温度低，差异可能达到几十个百分点。因此，为了获得正确的结果，必须进行广泛的建模。特别是 Schick 小组在这一领域做了大量工作，更多相关的出版物可以在他们的网站上找到。