CN103743790B - 基于mems的微机械传感器 - Google Patents

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本发明公开了基于MEMS的微机械传感器，属于微机械传感器的技术领域。所述传感器包括三层单晶硅片制成的基板、利用第一基板开有的第一空腔、第二基板开有的第一通孔、第三基板开有的第三空腔构建气体流通的唯一路径。贴合在第一基板上的第一膜片受到强烈撞击而损坏时，可以拆卸更换，方便使用，提高效率。使用MEMS加工工艺，减小了传感器体积。利用这种微机械传感器可测量降水粒子。

Description

基于MEMS的微机械传感器
技术领域
本发明公开了基于MEMS的微机械传感器，属于微机械传感器的技术领域。
背景技术
测量降水是气象测量中重要的组成部分。传统的测量降水的方法主要使用翻斗式或量筒式雨量计。但传统雨量计存在浸润误差，当仅有少量降水粒子时，浸润误差可能使得仪器不能发现降水粒子。同时传统雨量计不能测量雨滴的质量，也不能区分雨滴或者冰雹。
现在的基于光学散射原理的雨滴谱仪，可以测量雨滴的质量，也可以避免浸润误差。但这种雨滴谱仪价格昂贵，难以大规模使用，其生产工艺也与微电子工艺不兼容。基于光学原理的仪器还容易受到周围环境的影响，例如灰尘遮挡住镜头，会对测量产生影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了基于MEMS的微机械传感器。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
基于MEMS的微机械传感器，包括：单晶硅片制成的第一基板、第二基板、第三基板，第三基板为所述微机械传感器的底座，第二基板置于第三基板上方且与第三基板连接，第一基板置于第二基板上方且与第二基板连接，其中，
第一基板经过MEMS工艺处理得到开口向下的第一空腔，贴合在第一基板表面上的第一膜片与所述第一空腔围合成腔体，
第二基板开有第一通孔，第一通孔与第一膜片、第一空腔围合成的腔体连通，
第三基板经过MEMS工艺处理得到开口向上的第二空腔以及开口向下的第三空腔，所述第二空腔与所述第三空腔之间的部分第三基板构成第二膜片，所述第二膜片上开有第二通孔，所述第二空腔与所述第一通孔连通，所述第二膜片上固定有加热电阻、分别置于加热电阻两侧的第一测量电阻、第二测量电阻。
作为所述基于MEMS的微机械传感器的进一步优化方案，所述第二膜片朝向第二空腔的一面上有一层隔热层，所述加热电阻、第一测量电阻、第二测量电阻固定在隔热层有限区间上，有限区间从第二空腔与第一通孔的连通处到第二通孔。
进一步的，所述基于MEMS的微机械传感器上固定有烘干电阻。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
（1）不仅可以测量粒子质量，还能分辨粒子相态；
（2）传感器使用MEMS工艺，成本较低，工艺质量易于控制，工艺兼容性好，减小了传感器体积；
（3）三层基板结构可以避免粒子撞击膜片时，膜片对测量电阻以及加热电阻的损坏；
（4）固定测量电阻以及加热电阻的膜片有隔热层，有效降低电阻散热，降低传感器功耗，防止漏电；
（5）当第一膜片受到强烈撞击而损坏时，可以更换第一膜片，方便使用，提高效率；
（6）利用三层基板以及空腔结构构建气体流通的唯一路径，在气体流通路径中最狭窄的部位布局测量电阻以及加热电阻，提高了微机械传感器的灵敏度。
附图说明
图1为基于MEMS的微机械传感器的结构图。
图中标号说明：101、第一基板，102、第一膜片，103、第一通孔，201、第二基板，202、第二通孔，301、第三基板，302、第一空腔，303、第二空腔，304、第二膜片，305、第一测量电阻，306、加热电阻，307、第二测量电阻，308、第三通孔，309、焊盘，310、烘干电阻。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：
如图1所示的具有三层基板的微机械传感器，包括：单晶硅片制成的第一基板101、第二基板201、第三基板301，第三基板301为底座，第二基板201置于第三基板301上方且与第三基板301连接，第一基板101置于第二基板201上方且与第二基板201连接。
第一基板101经过MEMS工艺处理得到开口向下的第一空腔103，贴合在第一基板101表面的第一膜片102与第一空腔103围合成腔体。当第一膜片102受到强烈撞击而损坏时，可以更换第一膜片102，方便使用，提高效率，第一膜片（102）可使用聚合材料。
第二基板201开有第一通孔202，第一通孔202与第一膜片、第一空腔围合成的腔体连通。
第三基板301经过MEMS工艺处理得到开口向上的第二空腔302以及开口向下的第三空腔303，第二空腔302与第三空腔303之间的第三基板部分基板构成第二膜片304，第二膜片304上开有第二通孔308，第二空腔302与第一通孔202连通，第二膜片304上固定有加热电阻306、分别置于加热电阻306两侧的第一测量电阻305、第二测量电阻307。第一空腔103、第一通孔202、第二空腔302、第二通孔308构成气体流动的唯一通道。
第一通孔202与第一空腔103连通，第二基板201避免了第一膜片102在上下运动时对第一测量电阻305、加热电阻306、第二测量电阻307造成损坏。
第二基板201与第二空腔302之间形成的狭窄通道，提高了气体流动速度，进而提高微机械传感器测量流速的灵敏度。第二膜片304的作用是降低狭窄通道内热量的散发，提高微机械传感器测量流速的灵敏度。为了进一步降低狭窄通道内热量的散发，第二膜片304与第二空腔302的接触面上有一层隔热层，隔热层的材料可选聚酰亚胺、二氧化硅。加热电阻306、第一测量电阻305、第二测量电阻307固定在隔热层上。同时由于单晶硅片表面的自然氧化层的厚度只有纳米级，第一测量电阻305、加热电阻306、第二测量电阻307直接和单晶硅片接触，容易漏电，设置隔热层还可以防止漏电。
加热电阻306、第一测量电阻305、第二测量电阻307固定在从第二空腔302与第一通孔202连通处到第二通孔308之间的第二膜片上：当第一通孔202在左侧时，第一测量电阻305、加热电阻306、第二测量电阻307在第一通孔202的右侧，同时又位于第二通孔308的左侧；当第一通孔202在右侧时，第一测量电阻305、加热电阻306、第二测量电阻307在第一通孔202的左侧，同时又位于第二通孔308的右侧。
加热电阻306可以起到烘干微机械传感器的作用，但由于体积比较小，功率不高，因此需要增加一个或多个烘干电阻310，进一步烘干微机械传感器。烘干电阻310可以设置在微机械传感器的第一基板101，或者第二基板201，或者第三基板301上。在本实施例中，设置了一个烘干电阻310，烘干电阻310设置在第三基板301上。
在传感器制备过程中，需要制备焊盘309，本实施例将焊盘309制备在第三基板301上，并在第一基板101和第二基板201上分别制备一个通孔，便于焊接引线。在制备时，第一基板101、第二基板201、第三基板301的长度相同，三个基板采用用圆片级封装，可以提高封装加工效率。
在本发明中，提供制备焊盘309的备选方案：采用圆片级封装制备第一基板101和第二基板201，第三基板301采用芯片级封装单独制备。第三基板301为微机械传感器的底座，将焊盘309、第二基板201分别置于第三基板301上方与第三基板301连接，并且避免焊盘309与第二基板201接触。第一基板101置于第二基板201上方且与第二基板201连接。该备选方案第一基板101、第二基板201和第三基板301的长度不同，节约了材料。在大规模生产时，第一基板101和第二基板201采用圆片级封装，第三基板301则需要采用芯片级封装，会降低封装加工效率。
利用具有三层基板的微机械传感器测量粒子的方法，利用如下原理：粒子撞击第一膜片102时，第一膜片102会上下的振动。第一膜片102的振动导致狭窄通道内的气流流速发生改变，气体的流动会使第一测量电阻305、第二测量电阻307上的温度不同。由于温度变化会导致第一测量电阻305、第二测量电阻307上的电压发生改变，因此可根据第一测量电阻305、第二测量电阻307的电压差来测量粒子。
测量第一测量电阻305和第二测量电阻307的电压差可使用电桥测量、模数转换器测量等多种测量方法。本实施例中采用电桥的方法来测量电压差，从而测量粒子。利用具有三层基板的微机械传感器测量粒子的方法，包括如下步骤：
步骤1，对加热电阻306施加电压；
步骤2，在没有粒子撞击第一膜片102时，测量第一测量电阻305、第二测量电阻307的电压差U0；
步骤3，继续测量第一测量电阻305、第二测量电阻307的电压差U1，比较电压差U1和电压差U0的幅值，如电压差U1与电压差U0的幅值不相等，则判断有降水粒子。
步骤4，根据电压差U1，测量降水粒子：
步骤4.1：根据电压差U1的幅值来测量粒子的质量：粒子撞击第一膜片102时，由于不同粒子的质量不同，第一膜片102上下振动的程度也会不同。导致第一测量电阻305、第二测量电阻307上的电压差U1的幅值不同，因此可根据电压差U1的幅值来测量粒子的质量。
步骤4.2：根据电压差U1的频率来测量粒子的相态：固态粒子和液态粒子撞击第一膜片102时，其撞击方式不同，分别为弹性碰撞和非弹性碰撞，从而第一膜片102上下振动的频率不同，导致第一测量电阻305、第二测量电阻307上的电压差U1的变化频率不同，因此可以根据电压差U1的正负变化频率来测量粒子的相态。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
（1）不仅可以测量粒子质量，还能分辨粒子相态；
（2）传感器使用MEMS工艺，成本较低，工艺质量易于控制，工艺兼容性好，减小了传感器体积；
（3）三层基板结构可以避免粒子撞击膜片时，膜片对测量电阻以及加热电阻的损坏；
（4）固定测量电阻以及加热电阻的膜片有隔热层，有效降低电阻散热，降低传感器功耗，防止漏电；
（5）当第一膜片受到强烈撞击而损坏时，可以更换第一膜片，方便使用，提高效率；
（6）利用三层基板以及空腔结构构建气体流通的唯一路径，在气体流通路径中最狭窄的部位布局测量电阻以及加热电阻，提高了微机械传感器的灵敏度。

Claims (3)

1.基于MEMS的微机械传感器，包括：单晶硅片制成的第一基板(101)、第二基板(201)、第三基板(301)，第三基板(301)为所述微机械传感器的底座，第二基板(201)置于第三基板(301)上方且与第三基板(301)连接，第一基板(101)置于第二基板(201)上方且与第二基板(201)连接，
其特征在于，
第一基板(101)开有第一空腔(103)，贴合在第一基板(101)上的第一膜片(102)与所述第一空腔(103)围合成腔体，
第二基板(201)开有第一通孔(202)，第一通孔(202)与所述腔体连通，
第三基板(301)经过MEMS工艺处理得到开口向上的第二空腔(302)以及开口向下的第三空腔(303)，所述第二空腔(302)与所述第三空腔(303)之间的部分第三基板构成第二膜片(304)，所述第二膜片(304)上开有第二通孔(308)，所述第二空腔(302)与所述第一通孔(202)连通，所述第二膜片(304)上固定有加热电阻(306)、分别置于加热电阻(306)两侧的第一测量电阻(305)、第二测量电阻(307)。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS的微机械传感器，其特征在于，所述第二膜片(304)朝向第二空腔(302)的一面上有一层隔热层，所述加热电阻(306)、第一测量电阻(305)、第二测量电阻(307)固定在隔热层上有限区间，所述有限区间从第二空腔(302)与第一通孔(202)的连通处到第二通孔(308)。
3.根据权利要求1所述的基于MEMS的微机械传感器，其特征在于，所述微机械传感器上固定有烘干电阻(310)。
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