CN105783995B - Mems传感器、基于mems传感器的热力参数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种MEMS传感器以及基于MEMS传感器的热力参数测量方法，该装置包括玻璃基底以及形成在玻璃基底上的硅衬底，在硅衬底内形成有两个空腔，空腔顶壁的硅衬底形成梁；传感器还包括形成在硅衬底的第一结构至第八结构；还包括形成在硅衬底上位于第一结构以及第八结构之间的加热电阻；其中，第一至第八结构之间按照预设的规则导电连接；所述传感器还包括若干第一导热薄膜以及第二导热薄膜。通过第一至第八结构以及第一导热薄膜、第二导热薄膜之间的相互配合，在气流通过的时候能够一次性同时测得四种热力参数，有效减小了MEMS传感器的尺寸大小，使其更适用于在微小通道流动中测量。

Description

MEMS传感器、基于MEMS传感器的热力参数测量方法

技术领域

本发明涉及热力检测技术领域，具体涉及一种MEMS传感器及基于MEMS传感器的热力参数测量方法。

背景技术

目前，MEMS传感器(Micro-Electro-Mechanical System)由于其微小集成化等特点较为广泛的应用于热力参数的测量。然而现在MEMS传感器都是测量单一的数据，如测量流量、压力、温度、热流等参数。若想要同一时间测量多个参数，则需要在MEMS上设置多个测量单元，无法集成在一起，影响MEMS的尺寸大小，违背了MEMS的微小集成化的设计初衷，使其无法应用于微小通道内流体的热力参数测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：解决如何提供一种能够同时集成多个热力参数测量的MEMS传感器的问题。

为实现上述的发明目的，本发明提供了一种MEMS传感器以及基于MEMS传感器的热力参数测量方法。

依据本发明的第一方面，提供了一种MEMS传感器，包括：包括玻璃基底以及形成在所述玻璃基底上的硅衬底，在所述硅衬底内形成有两个空腔，空腔顶壁的硅衬底形成梁；

所述传感器还包括形成在硅衬底非梁区域上的第一结构、第二结构、第七结构以及第八结构；在所述梁上还形成有第三结构、第四结构、第五结构、第六结构；所述传感器还包括形成在硅衬底上位于第一结构以及第八结构之间的加热电阻；

其中，第一结构与第二结构导电连接，第三结构与第四结构导电连接，第五结构与第六结构导电连接，第七结构与第八结构导电连接，第一结构还与第八结构导电连接，第二结构还与第七结构导电连接；

第一结构、第二结构、第七结构、第八结构为温敏器件，第三结构、第四结构、第五结构、第六结构为温敏与压敏耦合器件；

所述传感器还包括形成在第一结构以及第八结构上表面的第一导热薄膜，形成在第二结构以及第七结构上的第二导热薄膜，以及形成在硅衬底表面位于第五结构以及第六结构之间的第一导热薄膜。

优选地，所述第一结构、第二结构、第七结构、第八结构为温敏电阻或铂材料薄膜；

所述第三结构、第四结构、第五结构、第六结构为压敏电阻。

优选地，第一结构、第二结构、第七结构以及第八结构中每种结构的数量均为至少八个；第三结构、第四结构、第五结构、第六结构中每种结构的数量均为至少四个；

其中，第一结构与第二结构通过构成惠斯通电桥从而导电连接，第三结构与第四结构通过构成惠斯通电桥从而导电连接，第五结构与第六结构通过构成惠斯通电桥从而导电连接，第七结构与第八结构通过构成惠斯通电桥从而导电连接，第一结构与第八结构通过构成惠斯通电桥从而导电连接，第二结构与第七结构通过构成惠斯通电桥从而导电连接。

优选地，所述第一导热薄膜的材料为二氧化硅，第二导热薄膜的材料为氮化硅。

优选地，所述第一结构、第二结构、第七结构、第八结构为温敏电阻或铂材料薄膜；

所述第三结构、第四结构、第五结构、第六结构为压敏电阻。

依据本发明的第二方面，提供了一种基于MEMS传感器的热力参数测量方法，利用如权利要求1-4任一所述的MEMS传感器进行测量，所述方法包括：

当气流经过所述MEMS传感器时，根据第一结构以及第二结构之间的电压差获取第一结构感知的温度与第二结构感知的温度之差ΔT₁，再依据公式一得到气流的热流参数q₁：

q₁＝ΔT₁*λ1*λ2/(λ2*d1-λ1*d2) 公式一

其中，λ₁为第一导热薄膜的导热系数，d₁为第一导热薄膜的厚度；λ₂为第二导热薄膜的导热系数，d₂为第二导热薄膜的厚度。

优选地，所述方法还包括：

当气流经过所述MEMS传感器时，根据第七结构以及第八结构之间的电压差获取第七结构感知的温度与第八结构感知的温度之差ΔT₂；同样依据公式一得到气流的热流参数；

计算热量参数q₂与热流参数q₁的平均值

优选地，所述方法还包括：

当气流经过所述MEMS传感器时，根据第三结构以及第四结构的阻值变化，以及第三结构与第四结构之间的电压差，得到气流的压力值以及第一曲率Δp₁；

其中，所述第一曲率Δp₁为所述梁在气流压力的作用下弯曲变形的曲率。

优选地，所述方法还包括：

当气流经过所述MEMS传感器时，根据第五结构以及第六结构的阻值变化，以及第五结构与第六结构之间的电压差，得到第二曲率Δp₂；

其中，所述第二曲率Δp₂反应的变形程度包括所述梁在气流压力的作用下发生弯曲变形程度以及第一导热薄膜在气流的作用下由于温度变化膨胀发生弯曲变形程度；

去除第二曲率Δp₂中所述梁在气流压力的作用下发生弯曲的第一曲率Δp₁的作用，得到第三曲率Δp₃，其中第三曲率Δp₃为第一导热薄膜在气流的作用下由于温度变化膨胀发生弯曲变形的曲率；

根据第三曲率Δp₃以及第五结构与第六结构之间的电压差，获得气流的温度值。

优选地，所述方法还包括：

当气流经过所述MEMS传感器时，根据第一结构以及第八结构之间的电压差，获取第一结构感知的温度与第八结构感知的温度之差ΔT₂，再获取加热电阻的温度T_C0，依据公式二求得气流的流速V₀₁，其中公式二如下式所示：

ΔT₂＝T_C0V₀₁ ^1/2 公式二

再根据气流的流速V₀₁以及气流流动的横截面积，求得气流的流量值I₁。

优选地，所述方法还包括：

当气流经过所述MEMS传感器时，根据第二结构以及第七结构之间的电压差，获取第二结构感知的温度与第七结构感知的温度之差ΔT₃，再获取加热电阻的温度T_C0，同样依据公式二求得气流的流速V₀₂，再根据气流的流速V₀₂以及气流流动的横截面积，求得气流的流量值I₂；

计算流量值I₂与流量值I₁的平均值I。

本发明提供了一种MEMS传感器以及基于MEMS传感器的热力参数测量方法，该传感器在硅衬底上集成了器件类型不同的第一至第八结构，通过第一至第八结构的相互配合，在气流通过的时候能够一次性同时测得气流的流量、压力、温度以及热流这四种热力参数，有效减小了MEMS传感器的尺寸大小，使其更适用于在微小通道流动中测量。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施方式提供的MEMS传感器结构示意图；

图2是本发明实施方式提供的MEMS传感器俯视结构示意图；

图3是本发明实施方式提供的基于MEMS传感器流量测试示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明实施方式提供了一种MEMS传感器，包括玻璃基底1以及形成在玻璃基底1上的硅衬底2，在硅衬底2内形成有两个空腔，空腔顶壁的硅衬底2形成梁3；

传感器还包括形成在硅衬底2非梁3区域上的第一结构41、第二结构42、第七结构47以及第八结构48；在梁3上还形成有第三结构43、第四结构44、第五结构45、第六结构46；传感器还包括形成在硅衬底2上位于第一结构41以及第八结构48之间的加热电阻5；

其中，第一结构41、第二结构42、第七结构47、第八结构48为温敏器件，第三结构43、第四结构44、第五结构45、第六结构46为温敏与压敏耦合器件；第一结构41与第二结构42导电连接，第三结构43与第四结构44导电连接，第五结构45与第六结构46导电连接，第七结构47与第八结构48导电连接，第一结构41还与第八结构48导电连接，第二结构42还与第七结构47导电连接；

此外，传感器还包括形成在第一结构41以及第八结构48上表面的第一导热薄膜61，形成在第二结构42以及第七结构47上的第二导热薄膜62，以及形成在硅衬底2表面位于第五结构45以及第六结构46之间的第一导热薄膜61。

本发明实施方式提供的一种MEMS传感器在硅衬底2上集成了器件类型不同的第一结构41至第八结构48，通过第一结构41至第八结构48的相互配合，在气流通过的时候能够一次性同时测得气流的流量、压力、温度以及热流这四种热力参数，有效减小了MEMS传感器的尺寸大小，使其更适用于在微小通道流动中测量。

在具体实施时，第一结构41、第二结构42、第七结构47、第八结构48为温敏电阻，也可以用铂材料薄膜来替代；第三结构43、第四结构44、第五结构45、第六结构46为压敏电阻。

在具体实施时，第一结构41、第二结构42、第七结构47以及第八结构48中每种结构的数量均为至少八个；第三结构43、第四结构44、第五结构45、第六结构46中每种结构的数量均为至少四个；

其中，如图2所示，至少两个第一结构41(也即图2示出的R1)与至少两个第二结构42(也即图2示出的R2)通过构成惠斯通电桥(也即图2示出的“8”字形结构)从而进行导电连接。需要说明的是，R1与R2构成的惠斯通电桥中还包括电源，以图2中左下角R1与R2构成的惠斯通电桥为例，电源的两端分别连接在a节点和c节点上，从而为该电桥提供电能。由于惠斯通电桥中包括电源是本领域技术人员的公知常识，为了能够使图2更清晰的展现本发明实施方式提供的MEMS结构，在图2中并未示出电源。与第一结构41和第二结构42类似，至少两个第三结构43与至少两个第四结构44通过构成惠斯通电桥从而导电连接；至少两个第五结构45与至少两个第六结构46通过构成惠斯通电桥从而导电连接；至少两个第七结构47与至少两个第八结构48通过构成惠斯通电桥从而导电连接。此外，在加热电阻5的两端，还连接有电源。

在具体实施时，上述第一结构至第八结构均通过导线连接，导线连接的形式均由磁控溅射金属铝实现。

需要说明的是，在本发明实施方式提供的MEMS传感器上除了包括与第二结构42连接的至少两个第一结构41，还包括至少两个与第八结构48通过构成惠斯通电桥从而导电连接的第一结构41。类似地，还包括至少两个与第七结构47通过构成惠斯通电桥从而导电连接的至少两个第二结构42。

此外，在具体实施时，第一导热薄膜61的材料为二氧化硅，第二导热薄膜62的材料为氮化硅。可以理解的是，第一导热薄膜61以及第二导热薄膜62的材料也可以为其他两种热阻不同的材料，并且差距尽可能的大，本发明对此不做具体限定。

基于上述MEMS传感器，本发明实施方式还提供了一种热力参数测量方法，对气流的热流、压力、温度以及流量这四个热力参数进行测量。具体测量方法说明如下：

(1)热流值测量

位于第一结构41与第二结构42上方的第一导热薄膜61以及第二导热薄膜62的导热系数不同，当感知到外界恒定的气流传递时(假设第一结构41以及第二结构42表面的温度相同)，第一导热薄膜61以及第二导热薄膜62将会受到气流的影响，各自对应区域的热流值可以根据式(1)、(2)得出，具体为：

q_a＝(T₁-T₂)*λ₁/d₁ (1)

q_b＝(T₁-T₃)*λ₂/d₂ (2)

其中，q_a为第一导热薄膜61对应区域气流的热流值，q_b为第二导热薄膜62对应区域气流的热流值；T₁为气流的温度，T₂为第一结构41感知的温度，T₃为第二结构42感知的温度；λ₁为第一导热薄膜61的导热系数，d₁为第一导热薄膜61的厚度；λ₂为第二导热薄膜62的导热系数，d₂为第二导热薄膜62的厚度。

由于气流是恒定不变的，因此q_a＝q_b，由于式(1)、(2)中气流的温度T₁是未知的，根据第一结构41以及第二结构42之间的电压差也只能够得到第一结构41感知的温度与第二结构42感知的温度之差，因此将式(1)、(2)进行一系列推导消除T₁，得到式(3)，从而求得气流的热流参数，具体地：

q₁＝ΔT₁*λ1*λ2/(λ2*d1-λ1*d2) (3)

其中，q₁为气流的热流参数；ΔT₁为第一结构41感知的温度与第二结构42感知的温度之差；λ₁为第一导热薄膜61的导热系数，d₁为第一导热薄膜61的厚度；λ₂为第二导热薄膜62的导热系数，d₂为第二导热薄膜62的厚度。

在具体实施时，为了提高测量的准确性，本发明实施方式提供的方法还利用第七结构47与第八结构48采用与上述相同的方法测量热力值。具体地：当气流经过所述MEMS传感器时，根据第七结构47以及第八结构48之间的电压差获取第七结构47感知的温度与第八结构48感知的温度之差ΔT₂；同样依据公式一得到气流的热流参数q₂；再计算热量参数q₂与热流参数q₁的平均值该平均值为最终得到的气流的热流值。

(2)压力测量

当气流经过MEMS传感器时，根据第三结构43以及第四结构44的阻值变化，以及第三结构43与第四结构44之间的电压差，通过查表可以得到气流的压力值，此为本领域技术人员公知的常识，在此不再赘述。

在得到压力值的同时还可以得到第一曲率Δp₁。其中，第一曲率Δp₁为梁3在气流压力的作用下弯曲变形的曲率，用于为后续的温度测量提供参考。

(3)温度测量

测量温度时，利用第五机构、第六结构46以及位于第五结构45和第六结构46之间的第一导热薄膜61来进行测量。当气流经过MEMS传感器时，由于第一导热薄膜61的材料为二氧化硅，与梁3的硅材料温度膨胀率不同导致第一导热薄膜61以及梁3在不同的温度下膨胀长度不同。在一定温度下，由于薄膜伸长的长度不同，必然导致薄膜产生拉扯的力，这个力传递到梁3上面，导致梁3也产生一定弯曲(这个弯曲值和第一曲率Δp₁有耦合部分，不一定是线性叠加，需要标定)。

可以理解的是，根据第五结构45以及第六结构46的阻值变化，以及第五结构45与第六结构46之间的电压差，能够得到第二曲率Δp₂；其中，第二曲率Δp₂反应的变形程度包括梁3在气流压力的作用下发生弯曲变形程度以及第一导热薄膜61在气流的作用下由于温度变化膨胀发生弯曲变形程度。

去除第二曲率Δp₂中所述梁在气流压力的作用下发生弯曲的第一曲率Δp₁的作用，得到第三曲率Δp₃。其中第三曲率Δp₃仅包含第一导热薄膜61在气流的作用下由于温度变化膨胀发生弯曲变形的曲率，这样就能够补偿由于梁3收到压力变形导致测量温度时产生的误差，提高了测量的准确率。之后再根据第三曲率Δp₃以及第五结构45与第六结构46之间的电压差，获得气流的温度值。

(3)流量测量

如图3所示，当气流经过所述MEMS传感器时，根据第一结构41以及第八结构48之间的电压差，获取第一结构41感知的温度与第八结构48感知的温度之差ΔT₂，再获取加热电阻5的温度T_C0，依据式(4)求得气流的流速V₀₁，其中式(4)如下所示：

ΔT₂＝T_C0V₀₁ ^1/2 (4)

再根据气流的流速V₀₁以及气流流动的横截面积，求得气流的流量值I₁。

在具体实施时，为了进一步提高测量的准确性，同时也利用第二结构42以及第七结构47采用同样的方法测量气流的流量值。具体地，当气流经过所述MEMS传感器时，根据第二结构42以及第七结构47之间的电压差，获取第二结构42感知的温度与第七结构47感知的温度之差ΔT₃，再获取加热电阻5的温度T_C0，同样依据公式二求得气流的流速V₀₂，再根据气流的流速V₀₂以及气流流动的横截面积，求得气流的流量值I₂。

最后计算流量值I₂与流量值I₁的平均值I，该平均值为最终得到的气流的流量值。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种MEMS传感器，其特征在于，包括玻璃基底以及形成在所述玻璃基底上的硅衬底，在所述硅衬底内形成有两个空腔，空腔顶壁的硅衬底形成梁；

所述传感器还包括形成在硅衬底非梁区域上的第一结构、第二结构、第七结构以及第八结构；在所述梁上还形成有第三结构、第四结构、第五结构、第六结构；所述传感器还包括形成在硅衬底上位于第一结构以及第八结构之间的加热电阻；

其中，第一结构与第二结构导电连接，第三结构与第四结构导电连接，第五结构与第六结构导电连接，第七结构与第八结构导电连接，第一结构还与第八结构导电连接，第二结构还与第七结构导电连接；

第一结构、第二结构、第七结构、第八结构为温敏器件，第三结构、第四结构、第五结构、第六结构为温敏与压敏耦合器件；

所述传感器还包括形成在第一结构以及第八结构上表面的第一导热薄膜，形成在第二结构以及第七结构上的第二导热薄膜，以及形成在硅衬底表面位于第五结构以及第六结构之间的第一导热薄膜；

其中，所述第一结构、第二结构、第七结构、第八结构为温敏电阻或铂材料薄膜；

所述第三结构、第四结构、第五结构、第六结构为压敏电阻；

所述第一导热薄膜的材料为二氧化硅，第二导热薄膜的材料为氮化硅。

2.如权利要求1所述的MEMS传感器，其特征在于，第一结构、第二结构、第七结构以及第八结构中每种结构的数量均为至少八个；第三结构、第四结构、第五结构、第六结构中每种结构的数量均为至少四个；

其中，第一结构与第二结构通过构成惠斯通电桥从而导电连接，第三结构与第四结构通过构成惠斯通电桥从而导电连接，第五结构与第六结构通过构成惠斯通电桥从而导电连接，第七结构与第八结构通过构成惠斯通电桥从而导电连接，第一结构与第八结构通过构成惠斯通电桥从而导电连接，第二结构与第七结构通过构成惠斯通电桥从而导电连接。

3.一种基于MEMS传感器的热力参数测量方法，其特征在于，利用如权利要求1-2任一所述的MEMS传感器进行测量，所述方法包括：

当气流经过所述MEMS传感器时，根据第一结构以及第二结构之间的电压差获取第一结构感知的温度与第二结构感知的温度之差ΔT₁，再依据公式一得到气流的热流参数q₁：

q₁＝ΔT₁*λ1*λ2/(λ2*d1-λ1*d2) 公式一

其中，λ₁为第一导热薄膜的导热系数，d₁为第一导热薄膜的厚度；λ₂为第二导热薄膜的导热系数，d₂为第二导热薄膜的厚度。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当气流经过所述MEMS传感器时，根据第七结构以及第八结构之间的电压差获取第七结构感知的温度与第八结构感知的温度之差ΔT₂；同样依据公式一得到气流的热流参数；

计算热量参数q₂与热流参数q₁的平均值

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当气流经过所述MEMS传感器时，根据第三结构以及第四结构的阻值变化，以及第三结构与第四结构之间的电压差，得到气流的压力值以及第一曲率Δp₁；

其中，所述第一曲率Δp₁为所述梁在气流压力的作用下弯曲变形的曲率。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当气流经过所述MEMS传感器时，根据第五结构以及第六结构的阻值变化，以及第五结构与第六结构之间的电压差，得到第二曲率Δp₂；

其中，所述第二曲率Δp₂反应的变形程度包括所述梁在气流压力的作用下发生弯曲变形程度以及第一导热薄膜在气流的作用下由于温度变化膨胀发生弯曲变形程度；

去除第二曲率Δp₂中所述梁在气流压力的作用下发生弯曲的第一曲率Δp₁的作用，得到第三曲率Δp₃，其中第三曲率Δp₃为第一导热薄膜在气流的作用下由于温度变化膨胀发生弯曲变形的曲率；

根据第三曲率Δp₃以及第五结构与第六结构之间的电压差，获得气流的温度值。

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当气流经过所述MEMS传感器时，根据第一结构以及第八结构之间的电压差，获取第一结构感知的温度与第八结构感知的温度之差ΔT₂，再获取加热电阻的温度T_C0，依据公式二求得气流的流速V₀₁，其中公式二如下式所示：

ΔT₂＝T_C0V₀₁ ^1/2 公式二

再根据气流的流速V₀₁以及气流流动的横截面积，求得气流的流量值I₁。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当气流经过所述MEMS传感器时，根据第二结构以及第七结构之间的电压差，获取第二结构感知的温度与第七结构感知的温度之差ΔT₃，再获取加热电阻的温度T_C0，同样依据公式二求得气流的流速V₀₂，再根据气流的流速V₀₂以及气流流动的横截面积，求得气流的流量值I₂；

计算流量值I₂与流量值I₁的平均值I。