[發明專利]微型流量傳感器的單片集成設計方法、制造方法及傳感器

在審

• 申請號: 202111490269.9
• 申請日: 2021-12-08
• 公開（公告）號: CN114186529A
• 公開（公告）日: 2022-03-15
• 發明（設計）人: 許威;李芝娟;方澤濤
• 申請（專利權）人: 深圳大學
• 主分類號: G06F30/398
• 分類號: G06F30/398;B81B7/02;B81C1/00;G06F117/08;G06F119/08
• 代理公司: 深圳市精英專利事務所 44242
• 代理人: 涂年影

1.一種微型流量傳感器的單片集成設計方法，其特征在于，所述傳感器包括設置于基片上的微帶線組件、恒溫差控制電路及電流反饋儀表放大器；所述微帶線組件由微加熱器及兩對熱敏電阻組成，一對所述熱敏電阻設置于所述微加熱器的上游，另一對所述熱敏電阻設置于所述微加熱器的下游；

所述方法包括：

根據熱效應的金氏定律和能量守恒定律構建所述微加熱器的熱電耦合等效模型；

根據所述微型流量傳感器的傳熱解析模型對所述微帶線組件進行傳熱解析，以獲取所述微帶線組件對應的熱學解析信息；

根據所述熱電耦合等效模型及所述恒溫差控制電路的電路結構構建第一等效電路模型；

根據預置的阻值函數及所述熱學解析信息構建與所述兩對熱敏電阻對應的第二等效電路模型；

根據所述傳熱解析模型對所述第一等效電路模型及所述第二等效電路模型進行力-熱-電耦合，以得到與所述傳感器對應的系統級等效電路模型。

2.一種微型流量傳感器的單片集成制造方法，其特征在于，所述方法包括：

通過互補型金屬氧化物半導體工藝在基片上制作得到流量傳感器及片上集成的接口電路；所述基片由硅基底及覆蓋于所述硅基底表層的二氧化硅層組成，所述流量傳感器嵌入設置于所述二氧化硅層的底部位置；

噴涂光刻膠以在所述流量傳感器的頂層沉積一層光刻膠覆蓋膜；

通過二氧化硅反應離子蝕刻，去除所述流量傳感器上層覆蓋的二氧化硅；

通過金屬Al干法刻蝕去除所述流量傳感器的微帶線組件上層用于阻擋氧化物反應離子蝕刻的金屬鋁；

通過深度反應離子蝕刻在所述微帶線組件的組件間隙處對所述硅基底進行蝕刻以形成硅溝槽；所述組件間隙為所述微帶線組件中平行排列的微帶線之間形成的間隙；

通過二氟化氙各向同性硅基蝕刻對所述微帶線底部的硅基底進行蝕刻以形成基于所述微帶線的微懸橋；

通過O₂等離子刻蝕去除殘余光刻膠并將所述微懸橋的電路連接端口與所述接口電路中的恒溫差控制電路及電流反饋儀表放大器分別進行電連接，得到單片集成的CMOS-MEMS微型流量傳感器。

3.根據權利要求2所述的微型流量傳感器的單片集成制造方法，其特征在于，所述互補型金屬氧化物半導體工藝為0.18μm CMOS工藝。

4.一種微型流量傳感器，其特征在于，所述傳感器采用權利要求2至3任一項所述的微型流量傳感器的單片集成制造方法制造得到，所述傳感器包括設置于所述基片上的微帶線組件、恒溫差控制電路及電流反饋儀表放大器；所述基片上設置有基片底腔，所述基片底腔通過Post-CMOS后處理工藝處理得到；

所述微帶線組件由微加熱器及兩對熱敏電阻組成，一對所述熱敏電阻設置于所述微加熱器的上游，另一對所述熱敏電阻設置于所述微加熱器的下游，且兩對所述熱敏電阻與所述微加熱器的間隔距離相等；所述微加熱器及兩對所述熱敏電阻均以微懸橋的方式平行架設于所述基片底腔上；

所述微加熱器與所述恒溫差控制電路進行電連接，以通過所述恒溫差控制電路控制所述微加熱器保持恒溫；

第一對所述熱敏電阻包括第一熱敏電阻及第二熱敏電阻，第二對所述熱敏電阻包括第三熱敏電阻及第四熱敏電阻，所述第一熱敏電阻、所述第四熱敏電阻、所述第二熱敏電阻及所述第三熱敏電阻依次首尾相接形成惠斯通電橋，所述第一熱敏電阻與所述第四熱敏電阻之間的連接點、所述第二熱敏電阻與所述第三熱敏電阻之間的連接點均與所述電流反饋儀表放大器進行電連接，兩對所述熱敏電阻對因溫度變化所引起的電壓變化進行感應，并輸出電信號至所述電流反饋儀表放大器；

所述電流反饋儀表放大器用于對所述電信號進行放大以得到放大信號并進行輸出。

5.根據權利要求4所述的微型流量傳感器，其特征在于，所述恒溫差控制電路包括第一電阻、第二電阻、參考環境溫度傳感器電阻、調溫電阻及運算放大器；

所述第一電阻、所述第二電阻、所述微加熱器、所述參考環境溫度傳感器電阻及所述調溫電阻依次首尾相接形成惠斯通電橋，所述第二電阻與所述微加熱器之間的連接點、所述第一電阻與所述調溫電阻之間的連接點分別與所述運算放大器的兩個信號輸入端相連，所述第一電阻與所述第二電阻之間的連接點與所述運算放大器的輸出端相連。