CN107764349A - 空气流量传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空气流量传感器及其制备方法。所述空气流量传感器包括：背面具有空腔的石英衬底；在所述石英衬底正面沿空气流向依次排布环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻；其中，所述上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻均设置于对应所述空腔的空气流量测量区内；分别与所述环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻独立连接的多个端子电极。本发明解决了空气流量传感器的精度与环境适应能力不可兼得的问题。
Description
技术领域
本发明实施例涉及半导体技术，尤其涉及一种空气流量传感器及其制备方法。
背景技术
空气流量计是将吸入的空气流量转换成电信号的器具。空气流量计的工作原理是通过测量空气流经发热电阻所产生的发热电阻周围空气的温度差，并按照预设的温度差与空气流量的对应关系，确定当前的流入的空气量。在空气流量计中包含用于测量温度差的空气流量传感器和计算电路。
在汽车等内燃机的电子控制系统中，空气流量传感器用于提供帮助计算流入空气量的温度差。由于汽车使用环境较为恶劣，车辆的震动等机械干扰易导致空气流量传感器中的测量电路被震坏。为此，目前空气流量传感器的使用寿命和测量精度都受限。
因此，需要对现有技术进行改进。
发明内容
本发明提供一种空气流量传感器及其制备方法，以解决现有技术中空气流量传感器的精度与环境适应能力不可兼得的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种空气流量传感器，包括：背面具有空腔的石英衬底；在所述石英衬底正面沿空气流向依次排布环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻；其中，所述上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻均设置于对应所述空腔的空气流量测量区内；分别与所述环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻独立连接的多个端子电极。
第二方面，本发明实施例还提供了一种空气流量传感器的制备方法，包括：在石英衬底的背面对应预设的空气流量测量区处刻蚀空腔；在石英衬底的正面形成图案化的第一金属层，图案化后的第一金属层形成环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻，以及分别与所述环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻单独连接的多个端子电极；其中，所述上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻位于所述空气流量测量区内。
本发明利用石英的高硬度、高抗震性，将其作为空气流量传感器的衬底，不仅适用于汽车等环境恶劣、具有高稳定性需要的环境中，而且由于石英衬底的优质材料，能够增加空气流量测量区域的面积，进而使得位于空气流量测量区域的上下游测温电阻能够测得更为准确的温度差。本实施例不仅解决了在恶劣环境下，空气流量传感器受外界颠簸而易损坏的问题，还解决了现有空气流量传感器的测量范围和精度无法匹配汽车设计需要的问题。此外，采用石英衬底，有效降低了现有空气流量传感器的成本。
附图说明
图1是本发明实施例一中的空气流量传感器的结构示意图；
图2是本发明实施例一中的空气流量传感器中端子电极的截面图；
图3是本发明实施例一中的空气流量传感器中电阻的截面图；
图4是本发明实施例二中的空气流量传感器的制备方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的空气流量传感器的结构示意图，本实施例可安装在汽车内燃机进风口，以实现对空气流量的测量。所述空气流量传感器包括：石英衬底11、环境空气测温电阻13、上游测温电阻14、发热电阻15和下游测温电阻16、对应各电阻的端子电极12。
其中，所述石英衬底11的背面具有空腔111。其中，所述空腔111对应石英衬底11正面的空气流量测量区。所述石英衬底11的厚度在[300,500]μm区间。空腔111顶壁相距石英衬底11正面的厚度在[10,20]μm。其中，所述空腔111顶部并非一定与所石英衬底11正面平行。可根据实际设计需要对空腔111顶部形状进行调整。例如，所述空腔111壁的截面呈U型。
在所述石英衬底11正面沿空气流向依次排布环境空气测温电阻13、上游测温电阻14、发热电阻15和下游测温电阻16；其中，所述上游测温电阻14、发热电阻15和下游测温电阻16均设置于对应所述空腔111的空气流量测量区内。其中，所述环境空气测温电阻13、上游测温电阻14、发热电阻15和下游测温电阻16均独立连接端子电极12。
在此，从空气的流入口至流出口依次排列环境空气测温电阻13、上游测温电阻14、发热电阻15和下游测温电阻16。其中，为了提高测量精度，各电阻采用蛇形弯折结构以提高阻值，弯折的相邻平行线之间互相绝缘。环境空气测温电阻13与上游测温电阻14之间的间隔大于上游测温电阻14与发热电阻15之间的间隔。其中，构成各电阻的金属层厚度在[100,200]nm之间，各电阻的排线宽度在[10,30]μm之间。
其中，所述环境空气测温电阻13用于测量当前流入的空气的原始温度。
所述发热电阻15受外部控制电路的控制，用于产生加热流入空气所需的热量。
所述上游测温电阻14用于测量空气流经发热电阻15前，被发热电阻15加热的第一温度。
所述下游测温电阻16用于测量空气流经发热电阻15后，被发热电阻15加热的第二温度。
其中，第一温度与第二温度的温度差为外部控制电路所要测量的值。所述环境空气测温电阻13与上游测温电阻14之间的间距大于上游测温电阻14与发热电阻15之间的间距。所述环境空气测温电阻13可位于空气流量测量区之外，也可以位于空气流量测量区内。
如图1所示，在各电阻的右方(或左方)，设有单独连接各电阻的端子电极12。具体地，每个端子电极12单独连接环境空气测温电阻13、上游测温电阻14、发热电阻15、和下游测温电阻16。为了便于与导线连接，各端子电极12为平铺在石英衬底11上的第一金属材料。所述端子电极12用于将所连接的电阻所感应的温度电信号传递给所述外部控制电路。其中，所述外部控制电路举例包括：放大电路、空气流量计算电路等。
其中，所述端子电极12与各电阻均为第一金属材料。所述第一金属材料选用热敏的金属或合金，举例为金属铂(Pt)材料。
在一种可选方案中，图2示为空气流量传感器中端子电极的截面图，为了降低端子电极12对电阻阻值的干扰，在各端子电极12上还可以覆盖导电率低于所述端子电极12导电率的金属膜21。其中，所述金属膜21举例为CrAu。所述金属膜21的厚度在[200,400]nm。
具体地，在制造时，先将光刻胶覆盖在设置了各电阻和端子电极12的石英衬底11上，再将各端子电极上的光刻胶予以去除，接着，附着金属膜21，使得该金属膜21覆盖在光刻胶和各端子电极上，再去除覆盖了金属膜21的光刻胶，以保留各端子电极12上的金属膜21。
该可选方案利用导电率更高的金属膜来“短路”各端子电极，能够有效解决端子电极部分的散热对测量精度的影响。
在另一种可选方案中，图3示为空气流量传感器中电阻的截面图，所述空气流量传感器还包括覆盖在所有电阻上的绝缘保护层22。由此有效防止各电阻受外界静电荷、灰尘、水汽等的干扰。所述绝缘保护层22的厚度举例为100nm。所述绝缘保护层22的材料举例为氮化硅。
本实施例利用石英的高硬度、高抗震性，将其作为空气流量传感器的衬底，不仅适用于汽车等环境恶劣、具有高稳定性需要的环境中，而且由于石英衬底的优质材料，能够增加空气流量测量区域的面积，进而使得位于空气流量测量区域的上下游测温电阻能够测得更为准确的温度差。本实施例不仅解决了在恶劣环境下，空气流量传感器受外界颠簸而易损坏的问题，还解决了现有空气流量传感器的测量范围和精度无法匹配汽车设计需要的问题。此外，采用石英衬底，有效降低了现有空气流量传感器的成本。
实施例二
如图4所示，本发明实施例提供一种空气流量传感器的制备方法。所述空气流量传感器可由包含步骤S110和S120的制备方法制备而得，还可以由包含步骤S110、S120和S130的制备方法制备而得，还可以由包含步骤S110、S120、S130和S140的制备方法制备而得、或者可以由包含步骤S110、S120和S140的制备方法制备而得。具体各步骤如下所示：
步骤S110、在石英衬底的背面对应预设的空气流量测量区处刻蚀空腔。其中，所述空气流量测量区用于设置后续描述的上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻。
具体地，在石英衬底未覆盖第一金属层的一面(即石英衬底的背面)对应所述空气流量测量区域，利用湿法腐蚀技术对石英衬底进行刻蚀，以形成空腔。
在一种可选方案中，采用各向同性技术，在所述石英衬底的背面预设的空气流量测量区处进行腔体刻蚀。
其中，各向同性指物体的物理、化学等方面的性质不会因方向的不同而有所变化的特性，即某一物体在不同的方向所测得的性能数值完全相同，亦称均质性。物理性质不随量度方向变化的特性。即沿物体不同方向所测得的性能，显示出同样的数值。
在制备时，利用石英的各向同性特性，在所述石英衬底背面对应空气流量测量区域处，喷射腐蚀液，使得石英衬底背面刻蚀出腔体。所得到的空腔的腔壁截面成U型。为了有效减少石英衬底的散热对所述空气流量测量区域上的各电阻的影响，所述空腔顶壁与石英衬底正面的距离优选在[10,20]μm之间。
步骤S120、在石英衬底的正面形成图案化的第一金属层，图案化后的第一金属层形成环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻，以及分别与所述环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻单独连接的多个端子电极；其中，所述上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻位于所述石英衬底的空气流量测量区内。
在此，在石英衬底的一面(即石英衬底的正面)附着第一金属层，再利用预设的对应环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻、下游测温电阻、和分别与上述各电阻单独连接的端子电极的图案模板，将所述第一金属层进行图案化处理。其中，为了提高测量电阻的阻值，各电阻图案可设置成蛇形弯折结构。其中，根据空气流入和流出的方向，将环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻、下游测温电阻图案依次排布。其中，环境空气测温电阻图案与上游测温电阻图案之间的间距大于上游测温电阻图案与发热电阻图案之间的间距。上游测温电阻图案与发热电阻图案之间的间距可等于发热电阻图案与下游测温电阻图案之间的间距。而且图案化后的第一金属上的各电阻对应连接各端子电极。
本实施例中，图案化后的第一金属所构成的上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻均位于所述石英衬底上预设的空气流量测量区内。图案化后的第一金属所构成的环境空气测温电阻可位于所述空气流量测量区外，也可以位于空气流量测量区内。
在一种可选方案中，为了降低端子电极对各电阻阻值和散热的干扰，所述制备方法还包括：步骤S130。
步骤S130、在各端子电极上覆盖第二金属层；其中，第二金属层的导电率高于第一金属层。
在制造时，先将光刻胶覆盖在设置了各电阻和端子电极的石英衬底上，再将各端子电极上的光刻胶予以去除，接着，附着第二金属层，使得该第二金属层覆盖在光刻胶和各端子电极上，再去除覆盖了第二金属层的光刻胶，以保留各端子电极上的第二金属层。其中，所述第二金属层采用导电率高于第一金属层的金属或合金材料。例如，所述第二金属层采用CrAu。所述第二金属层的厚度在[200,400]nm。
在另一种可选方案中，所述制备方法还包括步骤S140。
步骤S140、在所述石英衬底的除各端子电极之外的区域，生长绝缘层，以作为绝缘保护层。
本步骤的目的在于防止电阻受外界灰尘、浮游离子、水汽等的干扰。所述绝缘保护层的材料可采用氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，以作为对外界的绝缘防护。所述第二绝缘层的厚度举例在100nm。在制备时，先在图案化了个电阻和端子电极的石英衬底上生长绝缘保护层，再将各端子电极处的第二绝缘层予以去除，以便各端子电极与外部引线焊接。
本实施例选利用石英的高硬度、高抗震性，将其作为空气流量传感器的衬底，不仅适用于汽车等环境恶劣、具有高稳定性需要的环境中，而且由于石英衬底的优质材料，能够增加空气流量测量区域的面积，进而使得位于空气流量测量区域的上下游测温电阻能够测得更为准确的温度差。本实施例不仅解决了在恶劣环境下，空气流量传感器受外界颠簸而易损坏的问题，还解决了现有空气流量传感器的测量范围和精度无法匹配汽车设计需要的问题。此外，采用石英衬底，有效降低了现有空气流量传感器的成本。
按照上述制造方法可得到本发明任意实施例所提供的空气流量传感器，具备相应的结构所带来的有益效果。
需要说明的是，上述各实施例中所提到的尺寸及尺寸范围的精度并非一定限制在1μm及1nm，所述精度还可以在[0.1,0.9]μm和[0.1,0.9]nm之间。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种空气流量传感器，其特征在于，包括：
背面具有空腔的石英衬底；
在所述石英衬底正面沿空气流向依次排布环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻；其中，所述上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻均设置于对应所述空腔的空气流量测量区内；
分别与所述环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻独立连接的多个端子电极。
2.根据权利要求1所述的空气流量传感器，其特征在于，所述石英衬底的厚度在[300,500]μm。
3.根据权利要求1所述的空气流量传感器，其特征在于，各端子电极上覆盖导电率低于所述端子电极导电率的金属膜。
4.根据权利要求1所述的空气流量传感器，其特征在于，在所有电阻上覆盖绝缘保护层。
5.根据权利要求1所述的空气流量传感器，其特征在于，各电阻的排线宽度在[10,30]μm之间。
6.根据权利要求1所述的空气流量传感器，其特征在于，所述空腔顶壁相距石英衬底的正面厚度在[10,20]μm。
7.一种空气流量传感器的制备方法，其特征在于，包括：
在石英衬底的背面对应预设的空气流量测量区处刻蚀空腔；
在所述石英衬底的正面形成图案化的第一金属层，图案化后的第一金属层形成环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻，以及分别与所述环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻单独连接的多个端子电极；其中，所述上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻位于所述空气流量测量区内。
8.根据权利要求7所述的空气流量传感器的制备方法，其特征在于，所述在石英衬底的背面对应预设的空气流量测量区处刻蚀空腔，包括：采用各向同性技术，在所述石英衬底的背面预设的空气流量测量区处进行腔体刻蚀。
9.根据权利要求7所述的空气流量传感器的制备方法，其特征在于，在所述石英衬底的正面形成图案化的第一金属层的步骤之后，还包括：在各端子电极上覆盖第二金属层；其中，第二金属层的导电率高于第一金属层。
10.根据权利要求7所述的空气流量传感器的制备方法，其特征在于，在所述石英衬底的正面形成图案化的第一金属层的步骤之后，还包括：在所述石英衬底的除各端子电极之外的区域，生长绝缘层，以作为绝缘保护层。
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