微型热导检测器μTCD设计与制造：以安捷伦990Mirco GC为例

微型热导检测器（μTCD）是气相色谱仪的关键元器件，主要作用是检测气体的成分和浓度。其工作原理是混合气体通过气道，热导系数发生变化，引起惠斯通电桥中热敏电阻阻值的变化，再将热敏电阻阻值的变化转化成输出电压的变化，从而实现对待测气体成分和浓度检测。

由于μTCD应用场景较少，目前还未出现商业化的国产产品，主要的产品由德国SIEMENS和美国Agilent公司供应。

以安捷伦990Mirco GC为例，其优秀的性能包括好的噪声效应和低的监测限度。

图 安捷伦990Mirco GC封装产品和原理示意图

在μTCD中，热敏电阻的桥结构是器件设计的关键指标。热敏电阻的材料、排布和尺寸影响桥结构的热学和力学性能，决定了器件的灵敏度和稳定性。对于单个热敏电阻设计，我们通过内部的验证数据，采用200nm的Pt作为热敏电阻，方块电阻为0.92Ω/□，设计电阻总长度为1091μm，形成锯齿状电极结构。膜层设计采用1.4μm 厚度的SiN_x/SiO₂复合膜作为支撑层，通过应力组合，抵消本征应力和热应力带来的力学稳定性影响。

采用有限元仿真软件COMSOL对热敏电阻的力学和热学性能进行仿真，在绘图软件中建立模型，将模型导入仿真软件，设置几何参数和材料参数，选择电流、固体传热和固体力学物理场，设置边界条件，设置多物理场接口，划分网格，进行计算。由启芯微纳的仿真结果，加热到200°C，最大变形为1.13μm。对于气流通道的传热的仿真与优化，详细请与启芯微纳沟通了解。

图 热敏电阻层仿真设计

版图设计中，共包含4张版图，第一张版图为热敏电阻图形化，第二张版图为焊盘及引线图形化，第三张版图为湿法释放孔图形化，第四张版图为玻璃槽图形化。其中第一张版图极为关键，热敏电阻的图形化的方法包括沉积刻蚀法和剥离法（lift-off），本文设计中采用后者，光刻版为暗场，优势在于减少刻蚀Pt的工艺节省成本。

图 版图设计

工艺设计中，共8个步骤：

（a）厚度为500μm、晶向（100）单晶硅衬底清洗；

（b）支撑层的制备，热氧化沉积900nm厚度SiO₂，LPCVD沉积500nm厚度SiN_x；

（c）热敏电阻制备，采用lift-off工艺，沉积厚度为200nm的TiPt薄膜；

（d）焊盘及引线的制备，采用采用lift-off工艺，沉积厚度为300nm的TiAu薄膜；

（e）释放孔的制备，采用RIE刻蚀释放孔位置SiN_x/SiO₂复合膜，厚度为1.4μm；

（f）采用KOH进行硅的各向异性腐蚀，实现热敏电阻的释放，刻蚀深度约100μm；

（g）厚度为500μm的玻璃衬底进行湿法刻蚀或者喷砂工艺，实现100μm深度的槽结构；

（h）将玻璃衬底与硅衬底进行阳极键合，完成工艺。

图 工艺设计

图 样品剖面SEM图

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