CN102368042A - 微型流量传感器 - Google Patents

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Abstract

微型流量传感器，属于MEMS器件，用于气流流量测量，解决现有流量传感器功耗大、衬底存在热传导、响应时间长的问题。本发明之一种微型流量传感器，衬底上具有凹槽，凹槽表面架有两个分离的隔热层，各隔热层上溅射有加热体，加热体的两端溅射有金属电极。本发明另一种微型流量传感器，衬底上具有凹槽，凹槽表面架有两个分离的隔热层，各隔热层表面覆盖绝缘层，绝缘层上溅射有加热体，加热体的两端溅射有金属电极。本发明体积小、重量轻而且性能稳定，能有效降低衬底传热导致的测量误差，通过测量两个加热体间的电阻差值来测定气流流量，有效的解决了现有流量传感器功耗大、衬底存在热传导、响应时间长的问题。

Description

微型流量传感器
技术领域
本发明属于MEMS器件，特别涉及微型流量传感器，用于气流流量测量。 
技术背景
随着MEMS技术不断发展，出现了许多根据MEMS技术制作的微型传感器，其中包括流量传感器、加速度传感器、速度传感器、压力传感器。 
流量传感器按原理可分为热式和非热式。Van Putten等在1974年报告了第一个基于硅微加工技术的流量传感器，这个传感器的工作原理就是基于传热的。根据温度测量方法的不同，热式微流体传感器可以分为两种：风速计和量热器。热式微流量传感器有很多优点，例如可以实现CMOS工艺兼容、测量较为简单、工艺容易控制等，而其中最主要的优点是热式微流量传感器容易实现对流向的测量。现有的流量传感器的结构，基本上是在加热电阻两边分布热感应电阻，其固有的缺点。例如功耗大、衬底的热传导导致测量误差、零点随环境温度漂移、响应时间长等。 
发明内容
本发明提供两种微型流量传感器，解决现有流量传感器功耗大、衬底存在热传导、响应时间长的问题。 
本发明的一种微型流量传感器，包括衬底、隔热层和加热体，其特征在于： 
所述衬底上具有凹槽，凹槽表面架有两个分离的隔热层，隔热层上溅射有加热体，加热体的两端溅射有金属电极； 
所述衬底材料为单晶硅、多晶硅、玻璃或陶瓷封装材料； 
所述隔热层材料为二氧化硅或氮化硅； 
所述加热体为形状弯曲的Pt或镍金属； 
所述金属电极由Ti附着层表面溅射Cu层、Al层或Au层构成，或者由Ti附着层表面溅射Pt层后再溅射Au层构成，或者由Cr附着层表面溅射Au层、Cu层或Al层构成，或者由Cr附着层表面溅射Pt层后再溅射Au层构成。 
上述微型流量传感器的制备方法，包括下述步骤： 
(1)在衬底上溅射隔热层薄膜，然后腐蚀去除隔热层薄膜的四周部分； 
(2)通过腐蚀或者剥离工艺，在隔热层薄膜表面制备加热体； 
(3)在加热体两端溅射电极； 
(4)用湿法腐蚀工艺在衬底上腐蚀出凹槽，在隔热层薄膜下方形成空腔，起隔热作用。 
本发明的另一种微型流量传感器，包括衬底、隔热层和加热体，其特征在于： 
所述衬底上具有凹槽，凹槽表面架有两个分离的隔热层，各隔热层表面覆盖绝缘层，绝缘层上溅射有加热体，加热体的两端溅射有金属电极； 
所述衬底材料为单晶硅、多晶硅、玻璃或陶瓷封装材料； 
所述隔热层材料为二氧化硅或氮化硅； 
所述绝缘层材料为氮化硅或二氧化硅。 
所述加热体为形状弯曲的Pt或镍金属； 
所述金属电极由Ti附着层表面溅射Cu层、Al层或Au层构成，或者 由Ti附着层表面溅射Pt层后再溅射Au层构成，或者由Cr附着层表面溅射Au层、Cu层或Al层构成，或者由Cr附着层表面溅射Pt层后再溅射Au层构成。 
所述的微型流量传感器，其特征在于： 
所述隔热层由两层薄膜堆叠而成，上、下层材料分别为氮化硅和二氧化硅中的一种，上、下层材料不相同且上层材料和绝缘层材料不相同。 
上述微型流量传感器的制备方法，制备方法，包括下述步骤： 
(1)在衬底上溅射隔热层薄膜和绝缘层薄膜，然后腐蚀去除各层薄膜结构的四周部分； 
(2)通过腐蚀或者剥离工艺，在绝缘层薄膜表面制备加热体； 
(3)在加热体两端溅射电极； 
(4)用湿法腐蚀工艺在衬底上腐蚀出凹槽，在隔热层薄膜下方形成空腔，起隔热作用。 
本发明使用时，一个加热体靠近气流入口，另一个加热体靠近气流出口，按气流流动方向依次排列。 
气流与加热体间的传热速率与气流速度和两者间温差有关。当传感器工作时，气流依次经过两个加热体，经过两次加热。经过第一个加热体加热后，气流的温度升高，经过第二个加热体时，进行第二次加热，从而导致两个加热体释放的热量不同，温度也不同，从而加热体的阻值也发生改变，通过外接一惠更斯电桥，可以得到两个加热体间的电压差，就可以根据电压差与气流速度对应关系而得出气流流速。 
本发明体积小、重量轻而且性能稳定，与现有的在加热电阻两边分布热感应的结构不同，采用了两个加热体，自我加热并感应温度的方式，加热体采用金属Pt或者金属镍，而Pt或镍相对于硅来说线性度好、性能稳定、灵敏度高、有良好的化学稳定性，加热体的尺寸都在微米量级，升温快，有效的降低了功耗，减少了响应时间；增加了起隔热作用的热层，并在衬底上刻蚀出悬空的绝缘体薄膜，能有效降低衬底传热导致的测量误差。通过测量两个加热体间的电阻差值来测定气流流量，有效的解决了现有流量传感器功耗大、衬底存在热传导、响应时间长的问题。 
附图说明：
图1为本发明实施例1的截面示意图； 
图2为本发明实施例2的截面示意图；； 
图3为本发明实施例2的三维示意图； 
图4(A)为衬底示意图； 
图4(B)为衬底上溅射隔热层薄膜和绝缘层薄膜后的结构示意图； 
图4(C)为去除衬底上各层薄膜结构的四周部分的结构示意图； 
图4(D)为在绝缘层薄膜表面上制备出加热体图形的结构示意图； 
图4(E)为在加热体两端部分溅射一层电极的结构示意图； 
图4(F)为用湿法腐蚀掉衬底的一部分，形成凹槽，获得纵散热电阻结构示意图； 
图5为湿法腐蚀掉一部分硅基底，形成凹槽的结构示意图。 
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进一步说明： 
实施例1，如图1所示，包括衬底5、隔热层4和加热体2，衬底5上具有凹槽，凹槽表面架有两个分离的隔热层4，隔热层4上溅射有加热体2，加热体2的两端溅射有金属电极1； 
所述衬底5材料为多晶硅； 
所述隔热层4材料为氮化硅，由化学气相沉积(LPCVD)工艺沉积在衬底5上，厚度1μm； 
所述加热体为形状弯曲的镍金属； 
所述金属电极由Ti附着层表面溅射Pt层后再溅射Au层构成。 
实施例2，如图2、图3所示，包括衬底5、隔热层4、绝缘层3和加热体2，衬底5上具有凹槽，凹槽表面架有两个分离的隔热层4，各隔热层表面覆盖绝缘层3，绝缘层3上溅射有加热体2，加热体2的两端溅射有金属电极1； 
衬底5材料为单晶硅； 
隔热层4材料为氮化硅，厚度1μm； 
绝缘层3材料为二氧化硅，厚度250nm； 
加热体为形状弯曲的镍金属； 
金属电极由Ti附着层表面溅射Au层构成。 
该实施例的制备方法，顺序包括如下步骤： 
(1)如图4(A)所示，取一单晶硅片(2″，400μm厚，双抛光，(100)取向的)作为衬底5；如图4(B)所示，在衬底5表面用低应力化学气相沉积(LPCVD)工艺沉积一层低应力的氮化硅薄膜隔热层4，再用低应力化学气相沉积(LPCVD)工艺沉积一层二氧化硅薄膜绝缘层3；如图4(C)所示，再用第一掩膜去除隔热层和绝缘层的四周部分； 
(2)如图4(D)所示，通过腐蚀或者剥离工艺，用第二掩膜在二氧化硅绝缘层3上形成加热体2薄膜图形； 
(3)如图4(E)所示，在加热体2两端部分溅射一层10nm厚的钛(Ti)附着层，随之溅射一层300nm厚的Au薄膜，用第三掩膜做出金属电极1的形状； 
(4)如图4(F)所示，用湿法腐蚀掉衬底的一部分，形成凹槽，获得纵散热电阻结构。 
实施例3，如图2、图3所示，包括衬底5、隔热层4、绝缘层3和加热体2，衬底5上具有凹槽，凹槽表面架有两个分离的隔热层4，各隔热层表面覆盖绝缘层3，绝缘层3上溅射有加热体2，加热体2的两端溅射有金属电极1； 
衬底5材料为玻璃； 
隔热层4材料为氮化硅，厚度1μm； 
绝缘层3材料为二氧化硅，厚度250nm； 
加热体2为形状弯曲的Pt金属； 
金属电极1由Ti附着层表面溅射Al层构成； 
该实施例的制备方法，顺序包括如下步骤： 
(1)如图4(A)所示，取一玻璃片(2″，400μm厚，双抛光，(100)取向的)作为衬底5；如图4(B)所示，在衬底5表面热氧化二氧化硅薄膜隔热层4，再用低应力化学气相沉积(LPCVD)工艺沉积一层低应力的氮化硅绝缘层3；如图4(C)所示，再用第一掩膜去除隔热层和绝缘层的四周部分； 
(2)如图4(D)所示，通过腐蚀或者剥离工艺，用第二掩膜在氮化硅绝缘层3上形成Pt加热体2薄膜图形； 
(3)如图4(E)所示，在加热体2两端部分溅射一层10nm厚的钛(Ti)附着层，随之溅射一层300nm厚的Al薄膜，用第三掩膜做出电极1的形状； 
(4)如图4(F)所示，用湿法腐蚀掉衬底的一部分，形成凹槽， 获得纵散热电阻结构。 
实施例4，如图2、图3所示，包括衬底5、隔热层4、绝缘层3和加热体2，衬底5上具有凹槽，凹槽表面架有两个分离的隔热层4，各隔热层表面覆盖绝缘层3，绝缘层3上溅射有加热体2，加热体2的两端溅射有金属电极1； 
衬底5材料为氧化铝陶瓷； 
隔热层4材料为氮化硅，厚度1μm； 
绝缘层3材料为二氧化硅，厚度250nm； 
加热体2为形状弯曲的Pt金属； 
金属电极1由Cr附着层表面溅射Au层构成； 
该实施例的制备方法，顺序包括如下步骤： 
(1)如图4(A)所示，取一氧化铝陶瓷片作为衬底5；如图4(B)所示，在衬底5表面热氧化二氧化硅薄膜隔热层4，再用低应力化学气相沉积(LPCVD)工艺沉积一层低应力的氮化硅绝缘层3；如图4(C)所示，再用第一掩膜去除隔热层和绝缘层的四周部分； 
(2)如图4(D)所示，通过腐蚀或者剥离工艺，用第二掩膜在氮化硅绝缘层3上形成Pt加热体2薄膜图形； 
(3)如图4(E)所示，在加热体2两端部分溅射一层10nm厚的铬(Cr)附着层，随之溅射一层300nm厚的Au薄膜，用第三掩膜做出电极1的形状； 
(4)如图4(F)所示，用湿法腐蚀掉衬底的一部分，形成凹槽，获得纵散热电阻结构。 
实施例5，如图2、图3所示，包括衬底5、隔热层4、绝缘层3和加热体2，衬底5上具有凹槽，凹槽表面架有两个分离的隔热层4，各隔热层表面覆盖绝缘层3，绝缘层3上溅射有加热体2，加热体2的两端溅 射有金属电极1； 
衬底5材料为多晶硅； 
隔热层4由两层薄膜堆叠而成，上层为氮化硅材料，厚度500nm，下层为二氧化硅材料； 
绝缘层3材料为二氧化硅；加热体2为形状弯曲的镍金属； 
绝缘层和隔热层由二氧化硅-氮化硅-二氧化硅构成的三明治结构，可以降低应力； 
金属电极1由Cr附着层表面溅射Pt层后再溅射Au层构成。 
实施例6，如图5所示，包括衬底5、隔热层4、绝缘层3和加热体2，衬底5上具有凹槽，凹槽表面架有两个分离的隔热层4，各隔热层表面覆盖绝缘层3，绝缘层3上溅射有加热体2，加热体2的两端溅射有金属电极1；当器件的腔体体积大时，用湿法腐蚀掉衬底背面的一部分，形成所述凹槽； 
衬底5材料为单晶硅； 
隔热层4材料为二氧化硅； 
绝缘层3材料为氮化硅； 
加热体2为形状弯曲的Pt金属； 
金属电极1由Ti附着层表面溅射Cu层构成。 

Claims (3)

1.一种微型流量传感器，包括衬底、隔热层和加热体，其特征在于：
所述衬底上具有凹槽，凹槽表面架有两个分离的隔热层，隔热层上溅射有加热体，加热体的两端溅射有金属电极；
所述衬底材料为单晶硅、多晶硅、玻璃或陶瓷封装材料；
所述隔热层材料为二氧化硅或氮化硅；
所述加热体为形状弯曲的Pt或镍金属；
所述金属电极由Ti附着层表面溅射Cu层、Al层或Au层构成，或者由Ti附着层表面溅射Pt层后再溅射Au层构成，或者由Cr附着层表面溅射Au层、Cu层或Al层构成，或者由Cr附着层表面溅射Pt层后再溅射Au层构成。
2.另一种微型流量传感器，包括衬底、隔热层和加热体，其特征在于：
所述衬底上具有凹槽，凹槽表面架有两个分离的隔热层，各隔热层表面覆盖绝缘层，绝缘层上溅射有加热体，加热体的两端溅射有金属电极；
所述衬底材料为单晶硅、多晶硅、玻璃或陶瓷封装材料
所述隔热层材料为二氧化硅或氮化硅；
所述绝缘层材料为氮化硅或二氧化硅。
所述加热体为形状弯曲的Pt或镍金属；
所述金属电极由Ti附着层表面溅射Cu层、Al层或Au层构成，或者由Ti附着层表面溅射Pt层后再溅射Au层构成，或者由Cr附着层表面溅射Au层、Cu层或Al层构成，或者由Cr附着层表面溅射Pt层后再溅射Au层构成。
3.如权利要求2所述的微型流量传感器，其特征在于：
所述隔热层由两层薄膜堆叠而成，上、下层材料分别为氮化硅和二氧化硅中的一种，上、下层材料不相同且上层材料和绝缘层材料不相同。
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