[發(fā)明專(zhuān)利]熱堆式氣體質(zhì)量流量傳感器及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910542657.3
• 申請(qǐng)日: 2019-06-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110146136B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-08-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王家疇;王珊珊;李昕欣
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
• 主分類(lèi)號(hào): G01F1/688
• 分類(lèi)號(hào): G01F1/688
• 代理公司: 上海泰能知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 31233
• 代理人: 宋纓

本發(fā)明提供一種熱堆式氣體質(zhì)量流量傳感器及其制備方法，包括：襯底；與襯底相連接的帶類(lèi)“非”字狀槽的介質(zhì)膜，且介質(zhì)膜與襯底共同圍成一個(gè)隔熱腔體；加熱元件；至少兩個(gè)感測(cè)元件；單晶硅熱偶臂的冷端與襯底之間呈“三明治”狀熱沉結(jié)構(gòu)。通過(guò)引入類(lèi)“非”字狀介質(zhì)膜以及其下表面的單晶硅熱偶臂的結(jié)構(gòu)，即單晶硅熱偶臂的熱端懸空于隔熱腔體上，單晶硅熱偶臂的冷端與中間介質(zhì)層及襯底面面接觸的熱沉結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了單晶硅?金屬熱偶對(duì)與襯底的物理隔離，減少了本發(fā)明的襯底散熱，提高了傳感器的靈敏度；熱沉結(jié)構(gòu)，增大了單晶硅熱偶臂冷端的散熱性能，增大了單晶硅?金屬熱偶對(duì)冷端和熱端溫度差，從而縮短傳感器的響應(yīng)時(shí)間、提高傳感器的量程范圍。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于硅微機(jī)械傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種熱堆式氣體質(zhì)量流量傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)

氣體流量一直是生產(chǎn)與科研中最重要的測(cè)量參數(shù)之一，因此氣體流量測(cè)量?jī)x表在汽車(chē)，電力，航空航天以及微電子領(lǐng)域被廣泛使用。目前市場(chǎng)中比較成熟的流量計(jì)包括渦輪流量計(jì)、羅茨流量計(jì)等，這些機(jī)械式流量計(jì)的技術(shù)成熟且性能可靠。但由于生化、醫(yī)療等領(lǐng)域要求的流量范圍約為nL/min量級(jí)，是機(jī)械式流量計(jì)所不能滿(mǎn)足的。因此要求新型的氣體流量傳感器具有更高的測(cè)量精度以及更小的體積。

這些年隨著MEMS技術(shù)和熱流體仿真技術(shù)的蓬勃發(fā)展，基于MEMS技術(shù)的風(fēng)速風(fēng)向傳感器應(yīng)運(yùn)而生，依據(jù)檢測(cè)原理的不同主要分為兩大類(lèi)：一是具有可動(dòng)結(jié)構(gòu)的非熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器，以流體對(duì)敏感結(jié)構(gòu)的壓力作用使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形量作為檢測(cè)量，獲取流體的流速信息，二是不包含可動(dòng)結(jié)構(gòu)的熱式風(fēng)速風(fēng)向傳感器，其原理是由于外界環(huán)境中的風(fēng)或流體會(huì)對(duì)加熱后的芯片產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)的降溫作用。因此通過(guò)檢測(cè)芯片的熱量散失和溫度場(chǎng)分布，就能夠得知流量大小。

熱式風(fēng)速計(jì)主要有三種工作原理，分別是熱損失型，熱溫差型和熱脈沖型。熱溫差型流量傳感器根據(jù)其測(cè)溫電阻種類(lèi)的不同又可以分為熱溫差式流量傳感器和熱電堆式流量傳感器。熱電堆是一類(lèi)測(cè)量溫度的元件，由多個(gè)熱電偶串聯(lián)而成。熱電偶則是把兩種不同材料的導(dǎo)體兩端連接形成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度差異時(shí)，在回路中會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差。這一現(xiàn)象被稱(chēng)之為塞貝克效應(yīng)，因此若保持其中一端溫度恒定，則可以通過(guò)測(cè)量電動(dòng)勢(shì)來(lái)測(cè)量另一端溫度。

目前熱電堆式流量傳感器多以在(100)硅片上通過(guò)雙面微機(jī)械加工為主，芯片尺寸較大，制作成本高，且不利于批量化制造；此外，受制作工藝限制，熱偶材料多采用多晶硅-金屬結(jié)合，然后通過(guò)增加熱對(duì)偶數(shù)量或增加熱對(duì)偶臂長(zhǎng)方式來(lái)提高傳感器檢測(cè)性能，但這將進(jìn)一步增大芯片尺寸，提高制作成本。為了降低芯片尺寸，提高檢測(cè)靈敏度，科學(xué)工作者也做了大量研究，但難以兼顧高靈敏度和微型化。

為了降低芯片尺寸，1999年G.Kaltsas等人用P型多晶硅-鋁金屬作為熱偶材料，用多孔硅作為介質(zhì)層采用單面微加工方式制造氣體流量傳感器[Kaltsas G，NassiopoulouA.G.Novel C-MOS compatible monolithic silicon gas flow sensor with poroussilicon thermal isolation[J].Sensors and Actuators A：Physical,1999，76(1)：133-138.]。這種工藝雖然實(shí)現(xiàn)了單面加工，降低芯片尺寸，但存在熱偶臂的賽貝克系數(shù)較低，且多孔硅制作過(guò)程復(fù)雜，成型過(guò)程難以復(fù)制，在空氣中易龜裂等缺點(diǎn)。