CN102368042B - 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
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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