CN107830967B

CN107830967B - 一种mems气体差压传感器

Info

Publication number: CN107830967B
Application number: CN201711045942.1A
Authority: CN
Inventors: 谷永先; 吴孔培; 黄从贵; 瞿惠琴
Original assignee: Wuxi Institute of Technology
Current assignee: NANJING YUANGAN MICROELECTRONIC Co.,Ltd.
Priority date: 2017-10-31
Filing date: 2017-10-31
Publication date: 2019-11-26
Anticipated expiration: 2037-10-31
Also published as: CN107830967A

Abstract

本发明提出的是一种MEMS气体差压传感器，其结构包括外壳，密封橡胶圈，芯片，电路板；其中，外壳中间有一个凹槽，芯片处在凹槽内，电路板盖在凹槽上方，电路板与外壳之间有密封橡胶圈。本发明的优点：1）相对于隔膜式差压传感器，能够检测低至0.1Pa的微小差压，并且具有高灵敏度、零点漂移小、以及高动态响应速度等优点；2）能够运用到医疗设备以及供热通风与空气调节等应用领域。

Description

一种MEMS气体差压传感器

技术领域

本发明涉及的是一种MEMS（微机电系统）气体差压传感器，特别是基于热导式原理，采用MEMS工艺实现的气体差压传感器，属于传感器技术领域。

背景技术

差压传感器可以应用于管道中气体流量检测，比如在管道中添加孔板结构，在有气流通过时，会在孔板的上下游形成差压，也可以采用文丘里结构，有气流流过时，在管道较粗的位置和较细的位置也会形成差压；采用差压传感器测量差压的大小，即可推得管道中气体的流量；差压传感器还可以应用于空气净化器滤网堵塞层度的检测，堵塞越严重，滤网两侧形成的差压越大，采用差压传感器测得差压的大小，可以用于判断何时需要更换滤网。

现有差压传感器实现的方式有：（1）机械式结构，比如专利200910000717.5，采用纯机械结构，当存在差压时，两个弹性元件产生不同的形变，导致连杆运动，通过齿轮组实现指针转动；（2）隔膜结构，比如专利201310627068.8，差压导致隔膜形变，隔膜上设计有应变电阻，差压越大，隔膜的形变越大，压阻效应导致应变电阻的阻值变化越大，由应变电阻构成的惠斯通电桥的输出电压就越大；对于上述第一种方式，机械结构一般灵敏度较低，难以测出微小的差压；对于第二种方式，则可以实现较高的灵敏度，相对于第一种方式，还具有体积小，价格低廉等优势，但灵敏度仍然还不是很高。

发明内容

本发明提出的是一种MEMS气体差压传感器，其目的旨在解决现有差压传感器灵敏度低的问题。

本发明的技术解决方案：MEMS气体差压传感器，其结构包括外壳10，密封橡胶圈11，芯片12，电路板13；其中，外壳10中间有一个凹槽，芯片12处在凹槽内，电路板13盖在凹槽上方，电路板13与外壳10之间有密封橡胶圈11。

本发明的优点：

1）相对于隔膜式差压传感器，能够检测低至0.1Pa的微小差压，并且具有高灵敏度、零点漂移小、以及高动态响应速度等优点；

2）能够运用到医疗设备，以及供热通风与空气调节等应用领域。

附图说明

附图1是本发明的整体结构示意图。

附图2是芯片12的整体结构示意图。

附图3是芯片12感测区域结构示意。

附图4是芯片12背面结构示意图。

附图5是环境电阻2，加热电阻3，第一温度检测电阻4，第二温度检测电阻5之间的连接关系示意图。

附图6是恒温差电路示意图。

附图7是惠斯通电桥示意图。

附图8是整体结构剖面图。

附图中1是硅衬底，2是环境电阻，3是加热电阻，4是第一温度检测电阻，5是第二温度检测电阻，6是隔热槽，7是导线，8是引线焊盘，9是背腔，10是外壳，11是密封橡胶圈，12是芯片，13是电路板，14是固定螺丝，15差压检测口， B压力检测口16，17是R _a电阻，18是R _b电阻，19是R _c电阻，20是R _s电阻，21是R ₁电阻，22是R ₂电阻，23是R ₃电阻。

具体实施方式

MEMS气体差压传感器，其结构包括外壳10，密封橡胶圈11，芯片12，电路板13；其中，外壳10中间有一个凹槽，芯片12处在凹槽内，电路板13盖在凹槽上方，电路板13与外壳10之间有密封橡胶圈11。

所述电路板13与外壳10之间通过固定螺丝14固定连接，或者电路板13和外壳10之间直接采用密封胶粘接。

所述芯片12包括衬底1，环境电阻2，加热电阻3，第一温度检测电阻4，第二温度检测电阻5，四个隔热槽6，若干导线7，引线焊盘8，背腔9；其中，环境电阻2、加热电阻3、第一温度检测电阻4、第二温度检测电阻5处在衬底1的正面；加热电阻3、第一温度检测电阻4、第二温度检测电阻5并排放置，加热电阻3处在第一温度检测电阻4和第二温度检测电阻5之间，四个隔热槽6分别处在第一温度检测电阻4的左边、第一温度检测电阻4与加热电阻3之间、加热电阻3与第二温度检测电阻5之间、第二温度检测电阻5的右边，衬底1的背面有背腔9，四个隔热槽6贯穿芯片12的上下表面，四个隔热槽6的位置正对着背腔9。

所述衬底1是硅衬底、陶瓷衬底、玻璃衬底、PCB基板衬底中的一种，优选为硅衬底。

所述环境电阻2、加热电阻3、第一温度检测电阻4、第二温度检测电阻5的材料均为铂、铜、镍、锰、铑中的一种，环境电阻2、加热电阻3、第一温度检测电阻4、第二温度检测电阻5具有相同的温度系数。

所述环境电阻2、加热电阻3、第一温度检测电阻4、第二温度检测电阻5的制作方法均为以下几种方法中的一种；方法一：采用物理气相沉积、或化学气相沉积、或金属箔与衬底压合的方法在衬底1上形成金属薄膜，再采用刻蚀工艺去除多余的金属薄膜，形成环境电阻2和加热电阻3和第一温度检测电阻4和第二温度检测电阻5；方法二：采用剥离（lift-off）工艺，即采用光刻胶形成几何图形，然后通过蒸发、溅射等方法，在基片表面获得不连续的金属层，最后剥离掉掩膜层及其上金属层，比如，光刻定义出加热电阻丝、引线、电极的图形，然后溅射一层0.2 微米厚的钛铂，最后丙酮去胶后形成了加热电阻丝、引线、电极，从而形成环境电阻2和加热电阻3和第一温度检测电阻4和第二温度检测电阻5，所用光刻胶的厚度优选为8 微米。

为了避免气体中的水分对环境电阻2，加热电阻3，第一温度检测电阻4，第二温度检测电阻5的影响，需要增加绝缘层，可以在整个芯片12的上表面喷涂有机绝缘材料，或者蒸镀二氧化硅、氮化硅等绝缘材料。

进一步的，所述芯片12优选采用硅为衬底，生长二氧化硅与氮化硅复合膜，采用剥离（lift-off）工艺，首先形成光刻胶图形，再利用磁控溅射形成铂薄膜，最后丙酮去胶后形成铂电阻；再次生长二氧化硅与氮化硅复合膜，对铂电阻进行绝缘保护，芯片的背面采用氢氧化钾溶液进行背腔腐蚀，减小热量通过衬底的传输。

所述环境电阻2，加热电阻3，第一温度检测电阻4，第二温度检测电阻5总共能够引出4-8个引线焊盘8，环境电阻2，加热电阻3，第一温度检测电阻4，第二温度检测电阻5都能够独立引出2个焊盘，这样就能够引出8个引线焊盘，引线焊盘8采用引线键合的方式与电路板13相连接；四个电阻根据工作电路需要有一定的连接，则可以在芯片上采用电阻率低、温度系数低的金属，优选金或者铝，并采用宽度为20um以上的走线制作连接用的导线7，优选环境电阻2，加热电阻3，第一温度检测电阻4，第二温度检测电阻5之间通过若干导线7连接引出六个引线焊盘8，如图5，六个引线焊盘8的定义从左往右依次为：环境电阻2与加热电阻3公共端、第一温度检测电阻端、第一温度检测电阻4与第二温度检测电阻5公共端、第二温度检测电阻端、加热电阻端、环境电阻端；并且将六个引线焊盘8远离感测区域，所述感测区域指环境电阻2、加热电阻3、第一温度检测电阻4、第二温度检测电阻5所处的范围，便于封装时采用点胶的方式对引线键合区域进行保护，提高可靠性。

工作时，所述芯片12放置于需要检测气体流量压差的管道中，管道的两个压力检测口分别与外壳10上的A压力检测口15和B压力检测口16相接，当A压力检测口15和B压力检测口不存在差压时，则管道内不能形成气流，加热电阻3形成一个稳定的对称的温度场，则第一温度检测电阻4和第二温度检测电阻5检测到相同的温度；当A压力检测口15和B压力检测口16存在差压时，则会在管道内部形成微小的气流，加热电阻3形成非对称的温度场，处于气流下游的温度检测电阻测量的温度变高，处于气流上游的温度检测电阻测量的温度变低，第一温度检测电阻4和第二温度检测电阻5测得的温差越大，差压越大，通过测得的温差大小，即可推得差压的大小；加热电阻3产生的热量既可以通过被测气体，也可以通过衬底1传导至第一温度检测电阻4和第二温度检测电阻5；理论上，热量完全通过气体传导，差压传感器具有更高的灵敏度以及更高的能效，所以,在衬底1的背部采用腐蚀或者机械加工的方法制作空腔结构的背腔9，更进一步在加热电阻3和第一温度检测电阻4、第二温度检测电阻5之间及两边采用腐蚀或机械加工的方法制作完全贯穿的隔热槽6，从而减小热量通过衬底材料进行热传导。

采用金线键合工艺将芯片12与电路板13形成电气连接。

所述电路板13上包含电源电路、恒温差驱动电路、以及惠斯通电桥电路，采用带有可编程放大器的24位模数转换芯片，对惠斯通电桥输出的电压信号进行放大并进行模数转换，转换结果进入stm8l152单片机，根据标定数据，输出差压的数值，所述电源电路给恒温差驱动电路和惠斯通电桥电路供电。

所述芯片12上的加热电阻3能够在恒流、恒压、恒功率、恒温差等几种电路模式下的任一种电路模式下工作；其中，恒温差模式能够消除被测气体温度变化带来的影响，即能够实现温度自动补偿，本发明优选采用恒温差驱动电路来实现差压的检测；采用芯片12上的环境电阻2和加热电阻3，再加上R _a电阻17、R _b电阻18、R _c电阻19、R _s电阻20和运放，便可形成恒温差驱动电路，所述R _a、R _b、R _c、R _s分别为固定在电路板13上的具有固定阻值的R _a电阻、R _b电阻、R _c电阻、R _s电阻的电阻值，如图6所示；恒温差实现的条件为：R _a/ R _b= R _r/ R _h，R _c= α R _r0ΔT，其中α为芯片12上环境电阻2，加热电阻3，第一温度检测电阻4，第二温度检测电阻5的温度系数，R _r为环境电阻2的电阻值， R _h为加热电阻3的电阻值，是环境电阻2在零摄氏度时的电阻值，加热电阻3工作时，加热电阻3的温度总是比被检测气体温度高ΔT。

如附图7，第一温度检测电阻4、第二温度检测电阻5、R ₁电阻、R ₂电阻、R ₃电阻形成惠斯通电桥，其中，R ₁电阻与第一温度检测电阻4串联，R ₂电阻与第二温度检测电阻5串联，再一起与R ₃电阻串联；第一温度检测电阻4的电阻值为R _u，第二温度检测电阻5的电阻值为R _d，所述R ₁ 、R ₂ 、R ₃分别为固定在电路板13上的具有固定阻值的R ₁电阻21、R ₂电阻22、R ₃电阻23的电阻值，差压越大，第一温度检测电阻4和第二温度检测电阻5测得的温差越大，惠斯通电桥输出的电压越大，输出的电压经过可编程放大器（PGA）进行放大，再经过模数转换（ADC）进入微处理器(MCU)，微处理器根据标定数据，采用模拟信号或数字信号输出差压的数值,此电路还可以测量正负差压，惠斯通电桥输出响应的正电压或负电压。

工作时，所述芯片12放置于需要检测气体流量压差的管道中，管道的两个压力检测口分别与外壳10上的A压力检测口15和B压力检测口16相接，当A压力检测口15和B压力检测口16不存在差压时，则管道内不能形成气流，加热电阻3形成一个稳定的对称的温度场，则第一温度检测电阻4和第二温度检测电阻5检测到相同的温度；当A压力检测口15和B压力检测口16存在差压时，则会在管道内部形成微小的气流，加热电阻3形成非对称的温度场，处于气流下游的温度检测电阻测量的温度变高，处于气流上游的温度检测电阻测量的温度变低，第一温度检测电阻4和第二温度检测电阻5测得的温差越大，差压越大，通过测得的温差大小，即可推得差压的大小；加热电阻3产生的热量既可以通过被测气体，也可以通过衬底1传导至第一温度检测电阻4和第二温度检测电阻5。

工作时，整个MEMS气体差压传感器处在所需要检测气体流量压差的管道内，所述芯片12放在MEMS气体差压传感器内处于管道的侧壁，当两个压力检测口存在差压时，在管道内形成微小气流，微小气流流经芯片12表面，通过相应的电路板13即可测得差压的大小。

本发明是基于热导式原理的差压传感器相对于隔膜式差压传感器，具有更高的灵敏度，更高的零点稳定性，更快的响应速度，能够检测低至0.1Pa的微小差压。采用恒温差驱动电路，能够自动补偿被测气体温度的影响。

Claims

1.MEMS气体差压传感器，其特征是包括外壳，密封橡胶圈，芯片，电路板；其中，外壳中间有一个凹槽，芯片处在凹槽内，电路板盖在凹槽上方，电路板与外壳之间有密封橡胶圈；所述电路板与外壳之间通过固定螺丝固定连接，或者电路板和外壳之间直接采用密封胶粘接；所述芯片包括衬底，环境电阻，加热电阻，第一温度检测电阻，第二温度检测电阻，四个隔热槽，背腔；其中，环境电阻、加热电阻、第一温度检测电阻、第二温度检测电阻处在衬底的正面；加热电阻、第一温度检测电阻、第二温度检测电阻并排放置，加热电阻处在第一温度检测电阻和第二温度检测电阻之间，四个隔热槽分别处在第一温度检测电阻的左边、第一温度检测电阻与加热电阻之间、加热电阻与第二温度检测电阻之间、第二温度检测电阻的右边，衬底的背面有背腔，四个隔热槽贯穿芯片的上下表面，四个隔热槽的位置正对着背腔；所述衬底是硅衬底、陶瓷衬底、玻璃衬底、PCB基板衬底中的一种；所述环境电阻、加热电阻、第一温度检测电阻、第二温度检测电阻的材料均为铂、铜、镍、锰、铑中的一种，环境电阻、加热电阻、第一温度检测电阻、第二温度检测电阻具有相同的温度系数；所述环境电阻、加热电阻、第一温度检测电阻、第二温度检测电阻的制作方法均为以下几种方法中的一种；方法一：采用物理气相沉积、或化学气相沉积、或金属箔与衬底压合的方法在衬底上形成金属薄膜，再采用刻蚀工艺去除多余的金属薄膜，形成环境电阻、加热电阻、第一温度检测电阻和第二温度检测电阻；方法二：采用剥离工艺，即采用光刻胶形成几何图形，然后通过蒸发、溅射方法，在基片表面获得不连续的金属层，最后剥离掉掩膜层及其上金属层，形成环境电阻、加热电阻、第一温度检测电阻和第二温度检测电阻；所述环境电阻，加热电阻，第一温度检测电阻，第二温度检测电阻之间通过若干导线连接引出六个引线焊盘，六个引线焊盘分别为：环境电阻与加热电阻公共端、第一温度检测电阻端、第一温度检测电阻与第二温度检测电阻公共端、第二温度检测电阻端、加热电阻端、环境电阻端；并且将六个引线焊盘远离感测区域，所述感测区域指环境电阻、加热电阻、第一温度检测电阻、第二温度检测电阻所处的范围，便于封装时采用点胶的方式对引线键合区域进行保护，提高可靠性；所述电路板上包含电源电路、恒温差驱动电路、以及惠斯通电桥电路，采用带有可编程放大器的24位模数转换芯片，对惠斯通电桥输出的电压信号进行放大并进行模数转换，转换结果进入stm8l152单片机，根据标定数据，输出差压的数值，所述电源电路给恒温差驱动电路和惠斯通电桥电路供电；所述芯片上的加热电阻能够在恒流、恒压、恒功率、恒温差几种电路模式下的任一种电路模式下工作；其中，恒温差模式能够消除被测气体温度变化带来的影响，即能够实现温度自动补偿，采用恒温差驱动电路来实现差压的检测；采用芯片上的环境电阻和加热电阻，再加上R_a电阻、R_b电阻、R_c电阻、R_s电阻和运放，形成恒温差驱动电路，所述R_a、R_b、R_c、R_s分别为固定在电路板上的具有固定阻值的R_a电阻、R_b电阻、R_c电阻、R_s电阻的电阻值；恒温差实现的条件为：R_a/R_b＝R_r/R_h，R_c＝αR_r0ΔT，其中α为芯片上环境电阻，加热电阻，第一温度检测电阻，第二温度检测电阻的温度系数，R_r为环境电阻的电阻值，R_h为加热电阻的电阻值，R_r0是环境电阻在零摄氏度时的电阻值，加热电阻工作时，加热电阻的温度总是比被检测气体温度高ΔT；

第一温度检测电阻、第二温度检测电阻、R₁电阻、R₂电阻、R₃电阻形成惠斯通电桥，其中，R₁电阻与第一温度检测电阻串联，R₂电阻与第二温度检测电阻串联，再一起与R₃电阻串联；第一温度检测电阻的电阻值为R_u，第二温度检测电阻的电阻值为R_d，所述R₁、R₂、R₃分别为固定在电路板13上的具有固定阻值的R₁电阻、R₂电阻、R₃电阻的电阻值，差压越大，第一温度检测电阻和第二温度检测电阻测得的温差越大，惠斯通电桥输出的电压越大，输出的电压经过可编程放大器进行放大，再经过模数转换进入微处理器，微处理器根据标定数据，采用模拟信号或数字信号输出差压的数值,此电路还能够测量正负差压、惠斯通电桥输出响应的正电压或负电压。

2.如权利要求1所述的MEMS气体差压传感器，其特征是工作时，所述芯片放置于需要检测气体流量压差的管道中，管道的两个压力检测口分别与外壳上的A压力检测口和B压力检测口相接，当A压力检测口和B压力检测口不存在差压时，则管道内不能形成气流，加热电阻形成一个稳定的对称的温度场，则第一温度检测电阻和第二温度检测电阻检测到相同的温度；当A压力检测口和B压力检测口存在差压时，则会在管道内部形成微小的气流，加热电阻形成非对称的温度场，处于气流下游的温度检测电阻测量的温度变高，处于气流上游的温度检测电阻测量的温度变低，第一温度检测电阻和第二温度检测电阻测得的温差越大，差压越大，通过测得的温差大小，即可推得差压的大小；加热电阻产生的热量既通过被测气体或衬底传导至第一温度检测电阻和第二温度检测电阻。