CN108717097A - 一种降气体流速的mems缓冲器结构 - Google Patents

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董林玺
徐忠仁
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Abstract

本发明公开了一种降气体流速的MEMS缓冲器结构。本发明为键合到MEMS传感器基底上的薄壳；所述的薄壳带有网孔，由硅片进行各向异性刻蚀形成，且薄壳已氧化；所述的网孔在薄壳上均匀排列，且薄壳外部为长方体结构。当外部气体流经传感器薄膜前经过网孔薄壳会产生减速效果，并在气体流进薄壳后由于薄壳内壁的阻挡，使得气体在薄壳内部运动速度保持在低水平，从而减小气体流动带走薄膜表面过多的热量，减小薄膜表面温度的降低，使加热器的稳定性提高，减小能耗。

Description

一种降气体流速的MEMS缓冲器结构
技术领域
本发明涉及一种MEMS缓冲器结构，是气体传感器检测气体浓度时对来流气体进行缓冲降速作用的结构。
背景技术
微机电系统（MEMS）是在微电子技术的基础上结合机械、化学、物理、生物等技术发展而来的一种具有微型结构的机械电子系统。微传感器，即MEMS传感器，是在MEMS技术的基础上产生的新型传感器，相对于传统的传感器，它的优势之处在于尺寸结构小、生产成本低，并且在消费电子、智能化汽车、医疗服务等方面都有这广泛的开发应用。MEMS气体传感器是一种用来测量气体浓度的微传感器。它具有响应时间短、灵敏度高、稳定性好等优点。从而被广泛应用于空气质量检测、天然气等可燃性气体的浓度检测等等。
MEMS制造工艺很多，包括氧化、光刻剥离、沉积、刻蚀、键合等。其中刻蚀工艺主要分为干法刻蚀和湿法刻蚀。湿法刻蚀主要通过腐蚀液进行化学腐蚀，其特点是实验操作简单、所需器件要求低、对腐蚀目标有较好的选择性，但各向异性较差，对微米级别的结构有一定的影响；而干法刻蚀主要通过气相腐蚀、等离子体腐蚀等，其特点是：选择比高，可控性、灵活性、重复性好，细线条操作安全，易实现自动化，且各向异性好。为了保证结构的精度，本发明采用干法刻蚀工艺来制备该缓冲器结构。另外，在本发明中，键合工艺起着很大的作用。在MEMS键合工艺中，键合工艺主要包括直接键合、共晶键合、阳极键合和粘结剂键合。不同的键合工艺对键合材料的要求不同，对设备要求也不同，粘结剂键合工艺以其键合所需温度低, 键合的强度大, 成本低, 工艺简单等优点很好的满足本发明所需的键合工艺。
目前，大部分MEMS气体传感器都需要通过电阻丝持续加热来确保其稳定工作。在静态下，即无风或气体对流运动很小的情况下，该传感器可以显示出较高的灵敏度，但当附近有风时，或者说管道中气体泄露时，环境中气体对流强度增大，运动速度较快，这时，气体运动到传感器内部会使传感器薄膜表面的温度降低，从而破坏了传感器的稳定性，导致传感器灵敏度下降。这对于有毒有害气体及可燃气体的泄露报警有一定的影响。
在市场上，许多传感器通过添加温度补偿电路来提高传感器的稳定性，这使得传感器工作时的能耗大大的增加，因此优化传感器结构，提高传感器的稳定性，降低能耗是亟需解决的问题。
发明内容
为了克服上述背景技术所存在的不足, 本发明提供一种降气体流速的MEMS缓冲器结构。该缓冲器能够降低外部气体流过传感器薄膜时的速度，减小气体的流动对传感器薄膜的温度变化，从而提高传感器的稳定性并减小能耗。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明为带有网孔的薄壳。将一定尺寸的硅片进行各向异性刻蚀，刻蚀出带有多个网孔的薄壳，对网孔薄壳进行氧化，并通过粘结剂键合工艺将薄壳键合到传感器基底上。网孔在薄壳上均匀排列，且薄壳外部为长方体结构（气体在围绕该结构绕流阻力较大，易于更多的气体进入薄壳内部）。
气体向传感器扩散时，先通过长方体薄壳网孔，再扩散到传感器薄膜上。在气体向薄壳外壁扩散的过程中，由于薄壳外壁的阻挡，气体速度逐渐降低，直至气体到达薄壳表面，然后气体形成绕流运动，从网孔扩散到薄壳内部并与传感器薄膜接触，由于气体在薄壳内部流动的同时受到薄壳周围内壁的阻挡，使得气体在薄壳内部流速维持在较低的量级，最后通过网孔流出薄壳。
本发明的有益效果是：外部气体流经传感器薄膜前经过网孔薄壳会产生减速效果，并在气体流进薄壳后由于薄壳内壁的阻挡，使得气体在薄壳内部运动速度保持在低水平，从而减小气体流动带走薄膜表面过多的热量，减小薄膜表面温度的降低，使加热器的稳定性提高，减小能耗。
附图说明
图1是本发明和示例传感器的结构立体剖视图。
图中1：传感器基底，2：网孔薄壳，3：传感器薄膜，4：悬臂梁，5：加热器，6：叉指电极，7.1、7.2：外部电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
在图1中，示例传感器的组成中，悬臂梁4、外部电极7.1、7.2分别位于传感器基底1上，加热器5和叉指电极6并排在悬臂梁4上，在叉指电极6上覆盖一层传感器薄膜3。本发明，即一种对温度不敏感的网孔薄壳2，通过刻蚀硅片并进行氧化处理得到，然后通过粘结键合工艺将其键合到传感器基底1上，并将加热器5、叉指电极6包围在其中。其中，网孔薄壳2上的网孔均匀排列，且薄壳2外部为长方体形状。
本发明工作过程：图1中，气体在扩散时遇到长方体外形的薄壳，速度逐渐减小，由于气体对长方体的绕流阻力较大，大量的气体通过薄壳的网孔扩散到薄壳内部。气体进入网孔薄壳后，继续扩散时遇到网孔薄壳四周内壁的阻挡，气体的流速降低并维持在较低水平，以低流速接触传感器薄膜，最后又通过薄壳的网孔流出薄壳。

Claims (1)

1.一种降气体流速的MEMS缓冲器结构，其特征在于：为键合到MEMS传感器基底上的薄壳；所述的薄壳带有网孔，由硅片进行各向异性刻蚀形成，且薄壳已氧化；所述的网孔在薄壳上均匀排列，且薄壳外部为长方体结构。
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