[發明專利]壓差式氣體微流量傳感器及其制作方法

有效

• 申請號: 201711462917.3
• 申請日: 2017-12-28
• 公開（公告）號: CN108254031B
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發明（設計）人: 宋芳
• 申請（專利權）人: 上海工程技術大學
• 主分類號: G01F1/36
• 分類號: G01F1/36;G01F1/44
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 林君如

本發明涉及一種壓差式氣體微流量傳感器，包括一單晶硅基片及集成于該單晶硅基片同一面上的一個氣體微溝道及兩個壓力傳感器；氣體微溝道沿211晶向埋設于單晶硅基片內，由文丘里溝道段和連接在文丘里溝道段兩端的勻速溝道段組成，文丘里溝道段由喉道和分別位于喉道兩端的收縮段和擴散段組成，氣體微溝道的兩端設有氣體出/入口；兩個壓力傳感器分別通過取壓通道與勻速溝道段和喉道連接。與現有技術相比，本發明將傳統宏觀的文丘里管引入到硅基MEMS微流量傳感器領域，實現了微流量氣體的快速、準確的檢測和芯片小尺寸、低成本和便捷式封裝等特點，具有廣泛應用前景。

技術領域

本發明屬于硅微機械傳感器技術領域，涉及一種壓差式氣體微流量傳感器及其制作方法。

背景技術

近年來，隨著微電子技術和MEMS制作技術的快速發展為硅基氣體流量傳感器的發展提供了有利條件。自從Vanputten和Middelhoek在1974年首次利用標準硅工藝制作出硅微流量傳感器之后，硅流量傳感器制作技術已取得了巨大的進步，在水質檢測、大氣監測、生命科學、航空航天、生物化學以及制藥等領域得到廣泛應用。

當前，氣體微流量傳感器主要采用熱溫差式(或熱電堆式)來檢測氣體流量。這種氣體流量檢測方式雖然可以實現對大多數氣體的流量檢測，但是也存在如下不足：(1)對于那些帶有活性生物體的氣體流量測試無能為力，因為氣體流量傳感器中加熱電阻所產生的熱量足以導致活性生物體死完；(2)熱式氣體流量傳感器存在功耗大和熱量耗散問題，為了解決這些問題使得傳感器制備工藝異常復雜，成本增加；此外(3)熱式氣體流量傳感器還需要考慮溫度補償問題，進而增加后續處理電路的難度。2011年北京大學張大成教授等研制出一款基于壓阻式壓力流量傳感器[Dan Li,Ting Li,and Dacheng Zhang,A monolithicpiezoresistive pressure-flow sensor with integrated signal-conditioningcircuit,IEEE Sensors Journal,Vol.11,No.9,2011]，該傳感器采用傳統體硅微機械加工工藝制作。首先，通過硅片背面對準光刻，然后KOH從背面減薄單晶硅至壓力敏感薄膜厚度；然后，再通過硅片正面硅深度反應離子刻蝕技術將壓力敏感薄膜分成四塊并在每一塊敏感薄膜根部制作一個壓敏電阻。這種氣體流量傳感器雖然可以實現對任何氣體的流量檢測，但是其結構方式存在如下不足：(1)由單晶硅各向異性腐蝕特性可知，從硅片背部大面積減薄單晶硅存在腐蝕時間長、壓力敏感薄膜厚度均勻性不易控制以及傳感器芯片尺寸大等不足；(2)這種傳感器結構決定了其后續封裝復雜，且不易于與微流體系統集成封裝。

目前，文獻上報道的硅基壓差式氣體微流量傳感器主要用在對液體流速的測量，原因在于液體流阻比較大，當液體通過微流體溝道時由于流阻的存在導致壓力在微流體溝道中消耗很大，因此便于實現壓差式流量檢測。而氣體作為一種可壓縮的物質，它在微流體溝道中的壓力損耗非常小，難以通過檢測微弱壓力變化來標定氣體流速變化。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種壓差式氣體微流量傳感器及其制作方法。用于解決現有技術中熱式氣體微流量傳感器熱損耗大和無法檢測活性氣體的難題以及傳統壓阻式壓力流量傳感器結構尺寸大、工藝復雜和成本高等不足。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種壓差式氣體微流量傳感器，包括一單晶硅基片及集成于該單晶硅基片同一面上的一個氣體微溝道及兩個壓力傳感器；

所述的氣體微溝沿211晶向道埋設于單晶硅基片內，由文丘里溝道段和連接在文丘里溝道段兩端的勻速溝道段組成，文丘里溝道段由喉道和分別位于喉道兩端的收縮段和擴散段組成，氣體微溝道的兩端設有氣體出/入口；

兩個壓力傳感器分別通過取壓通道與勻速溝道段和喉道連接，獲取相應氣體微溝道位置的氣體壓強。

優選地，所述的單晶硅基片為(111)晶面的單晶硅基片。