CN111220224B - 一种mems流量传感器芯片 - Google Patents

一种mems流量传感器芯片 Download PDF

Info

Publication number
CN111220224B
CN111220224B CN201811414115.XA CN201811414115A CN111220224B CN 111220224 B CN111220224 B CN 111220224B CN 201811414115 A CN201811414115 A CN 201811414115A CN 111220224 B CN111220224 B CN 111220224B
Authority
CN
China
Prior art keywords
sensing element
sensor chip
flow sensor
temperature sensing
cavity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201811414115.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN111220224A (zh
Inventor
宋阳阳
温赛赛
马硕
胡慧珊
王新亮
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suzhou In Situ Chip Technology Co ltd
Original Assignee
Suzhou In Situ Chip Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Suzhou In Situ Chip Technology Co ltd filed Critical Suzhou In Situ Chip Technology Co ltd
Priority to CN201811414115.XA priority Critical patent/CN111220224B/zh
Publication of CN111220224A publication Critical patent/CN111220224A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111220224B publication Critical patent/CN111220224B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/6845—Micromachined devices

Abstract

本发明提供了一种MEMS流量传感器芯片，所述MEMS流量传感器芯片包括具有腔体的基底、设置在基底下方的腔体保护层、叠设于基底上方的电阻元件支承层、载置于电阻元件支承层的感温元件和测流元件、覆盖感温元件和所测流元件的电阻元件保护层以及设置在所述电阻元件保护层上方的芯片保护层。其中，所述测流元件对应设置在所述腔体的正上方；所述感温元件设置在所述基底上方的非腔体对应的位置。本发明的MEMS流量传感器芯片应用广泛，特别适用于小微流量的流体流速测量；具有电路结构简单，测量精度高、成本低的特点；提升了测量灵敏度和测量范围；并且使用寿命更长。

Description

一种MEMS流量传感器芯片
技术领域
本发明是一种基于MEMS技术的流体流量传感器芯片，具体涉及微流量或者小流量流体的MEMS流量传感器芯片。
背景技术
MEMS流量传感器芯片是以微电子技术(半导体制造技术)为基础，并结合微加工和精密机械加工等技术制造而成的流量传感器核心器件。目前基于MEMS技术的传感器芯片已广泛的应用于工业控制、汽车电子、医疗器械、分析仪器、空气质量检测等领域。与传统机械式流量计相比，MEMS流量传感器芯片具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、易于集成和实现智能化的特点。
但是由于MEMS流量传感器芯片涉及多学科领域，技术难度大，加工要求高，而且一种流量传感器往往只适用于特定的环境，导致生产成本很高。
此外，多数MEMS流量传感器芯片受生产工艺的限制，均采用普通半导体材料，因而使用寿命普遍较短。
因此，本发明提供一种成本更低、寿命更长、精度可靠性更高、并可应用于多种环境的MEMS流量传感器芯片。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种MEMS流量传感器芯片，所述MEMS流量传感器芯片包括具有腔体的基底、设置在基底下方的腔体保护层、叠设于基底上方的电阻元件支承层、载置于电阻元件支承层的感温元件和测流元件，其中，所述测流元件对应设置在所述腔体的正上方；所述感温元件设置在所述基底上方的非腔体对应的位置。
优选地，还包括电阻元件保护层，所述电阻元件保护层覆盖所述感温元件和所述测流元件；所述感温元件为一个或多个，所述测流元件为一个或多个。
优选地，还包括设置在所述电阻元件保护层上方的芯片保护层。
优选地，所述感温元件和所述测流元件的材质均为镍、铂、金、铝、铜或者多晶硅。
优选地，所述感温元件和/或所述测流元件的表面附着一层粘附层。
优选地，所述粘附层为钛、铬、镍、氧化钛或者钛钨合金。
优选地，所述腔体保护层封合所述基底的腔体以形成真空结构；和/或所述腔体内填满气体或者液体。
优选地，所述感温元件和所述测流元件嵌入所述电阻元件保护层，所述感温元件和所述测流元件为线状结构。
优选地，还包括设置在MEMS流量传感器芯片周边的电极区域，所述电极区域用于连接所述MEMS流量传感器芯片与电路系统。
优选地，所述感温元件的电阻值为所述测流元件的电阻值的2-100倍。
有益效果：
本发明的MEMS流量传感器芯片应用广泛，特别适用于小微流量的流体流量测量；具有电路结构简单，测量精度高、成本低的特点；提升了测量灵敏度和测量范围；使用寿命更长。具体地，本发明采用底部空腔真空密封或者使用导热系数极低的气体或液体充满腔体，减少测流元件发热时的热量向底部传递，保证测流元件产生的温度场范围集中在芯片上表面，从而提升测量灵敏度和测量范围；上部双层保护的多层结构有效的保护芯片内部不受水汽、氧或其它元素的侵蚀，从而提高了芯片寿命。本发明减少了表面感温测流元件数目、优化了芯片整体的排布结构；在保证测量精度和测量范围的条件下，又极大的减少了MEMS流量传感器芯片整体面积，不仅可以大幅度降低生产加工成本，而且可以将MEMS流量传感器芯片应用于更狭小的空间。
附图说明
图1为本发明的MEMS流量传感器芯片的平面结构示意图。
图2为沿图1中的A-A线剖切的剖面结构示意图。
图3为本发明的MEMS流量传感器芯片的另一示例的平面结构示意图。
图4为沿图3中的A-A线剖切的剖面结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。本申请可以以多种不同的形式来实现，并不限于本实施例所描述的实施方式。提供以下具体实施方式的目的是便于对本申请公开内容更清楚透彻的理解，其中上、下、左、右等指示方位的字词仅是针对所示结构在对应附图中位置而言。
参照图1至图4，本发明提供了一种MEMS流量传感器芯片，该MEMS流量传感器芯片包括具有腔体9的基底1、设置在基底1下方的腔体保护层2、叠设于基底1上方的电阻元件支承层3、载置于电阻元件支承层3的感温元件4和测流元件5、电阻元件保护层6、设置在电阻元件保护层6上方的芯片保护层7，还包括与感温元件4、测流元件5电连接的电极区域8，通常，电极区域设置在芯片的周边缘，通过电极区域设置的电极块，可以实现对感温元件4、测流元件5的电极引出。在本发明中，电极区域可以包括并列的三个电极块。MEMS流量传感器芯片的长约为2mm～10mm，宽约为0.5mm～6mm，厚度为0.1mm～0.7mm。
进一步地，感温元件4和测流元件5的相对位置可以不同，感温元件4和测流元件5在基底1上的结构布局可以呈上下分布(具体参见图1和图2)，还可以呈左右分布(具体参见图3和图4)，测流元件5在基底1上的位置与腔体9的位置相对应。
如图1和图2所示，基底1下方设有腔体9，腔体结构区域，优选地，为真空结构，腔体9和腔体保护层2形成真空结构，还可以使用导热系数极低的气体或者液体充满腔体9；感温元件4设置在基底1非空腔区域的上侧，测流元件5设置在空腔区域9的正上方；腔体保护层2的作用为：封闭基底底部的腔体9，减少测流元件5通电发热的过程中热量向底部传递，保证测流元件5发热时的温度场中心更靠近在芯片上表面，提高芯片的灵敏度与精度。优选地，腔体保护层2为硅(Si)、石英玻璃(SiO2)、聚酰亚胺(Polyimide)或者陶瓷，腔体保护层2的厚度为0.1～0.7mm。
基底1用以支撑整个MEMS流量传感器芯片。优选地，基底1为硅(Si)、氮化镓、聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、砷化镓(GaAs)或者石英玻璃(SiO2)。基底1的厚度为50μm～600μm。
电阻元件支承层3用以支承感温元件4与测流元件5，并起到绝缘作用。优选地，电阻元件支承层3为二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)或者碳化硅(SiC)。电阻元件支承层3的厚度为0.01μm～100μm。
感温元件4与测流元件5均为对温度敏感的热敏电阻材料，即其电阻与温度变化呈正相关的关系，优选地，使用镍(Ni)、铂(Pt)、金(Au)、铝(Al)、铜(Au)和多晶硅。为了适应极端温度产生的应力变化，感温元件4与测流元件5表面应附着一层粘附层，优选地，使用钛(Ti)、铬(Cr)、镍(Ni)、氧化钛(TiO2)或者钛钨合金。
电阻元件保护层6用以保护感温元件4与测流元件5，并起到绝缘作用，优选地，使用碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、聚对二甲苯(Parylene)或者全氟树脂(Cytop)；电阻元件保护层6的厚度为0.01μm～100μm。
芯片保护层7用以保护整个芯片，并提高芯片的整体强度和机械性能，这也是提高芯片使用寿命的关键保护层。优选地，使用碳化硅(SiC)、氧化铝(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)、二氧化硅(SiO2)、聚对二甲苯(Parylene)或者全氟树脂(Cytop)。芯片保护层7的厚度为0.01μm～100μm。由于采用硬度、耐磨性等机械性能更高的上述材料形成薄膜结构作为芯片保护层7，可有效隔绝气体和液体以保护内部电阻元件，将传感器整体强度提高50％，传感器寿命可达6年。
在本实施方式中，电极区域8的材料与感温元件4和测流元件5的材料相同，电极区域8与感温元件4和测流元件5位于同一结构层，电极区域8上方未覆盖电阻元件保护层6和芯片保护层7，感温元件4与测流元件5均嵌入电阻元件保护层6，感温元件4与测流元件5为迂回的线状结构；感温元件4的阻值大于测流元件5的阻值，感温元件4的阻值为测流元件5的阻值的2—100倍；上述仅用于说明，不能理解成对本发明的限制，电极区域8与感温元件4和测流元件5也可以设置在不同的结构层。在其它实施方式中，如图3和图4所示，感温元件4设置在基底1的左侧，测流元件5设置在基底1的右侧，且设置在基底1的与腔体9的位置相对应的位置。
具体实施原理
如图1所示，本发明提供的基于MEMS的流量传感器芯片通过电极区域8与外部测量电路系统相连接，电极区域8包含三个电极，分别为左侧电极元件、中间电极元件和右侧电极元件，由于电极元件需要与外部电路相连接，电极元件的表面未覆盖电阻元件保护层6和芯片保护层7。如图1所示，测流元件5的左端通过导线与中间电极元件连接，测流元件5的右端通过导线与右侧电极元件连接；感温元件4的左端通过导线与左侧电极元件连接，感温元件4的右端通过导线与右侧电极元件连接。
将外部测量电路与MEMS流量传感器芯片通过导线连接后，通电。测流元件5通电加热一段时间(10us-100s)，在芯片表面形成稳定热场。当流体流过芯片表面，流体带走芯片表面的热量，稳定热场被打破，测流元件5被冷却，元件温度降低，由于测流元件5为正温度系数的热敏电阻，所以其电阻随自身温度发生变化。当测流元件5的电阻发生变化时，其电压也发生变化。
流体流过芯片表面时的流速不同，导致测流元件5的温度变化量不同，其电阻和电压变化量也不同。通过测量不同流速下，测流元件5的电压，可以得到不同流速与测流元件5的电压之间的数值对应关系曲线以及曲线方程。在测得测流元件5的输出电压后，带入曲线方程即可得到对应的流体流速，进而可计算流体流量。
与现有技术相比，本发明的MEMS流量传感器芯片应用广泛，特别适用于小微流量的流体流量测量；具有电路结构简单，测量精度高、成本低；提升了测量灵敏度和测量范围；还提高使用寿命。具体地，本发明采用底部空腔真空密封或者使用导热系数极低的气体或液体充满腔体，很大程度上减少了测流元件发热时的热量向底部传递，保证测流元件产生的温度场范围中心更靠近芯片上表面，从而提升测量灵敏度和测量范围；上部双层保护的多层结构有效的保护芯片内部不受水汽、氧或其它元素的侵蚀，从而提高了芯片寿命。本发明减少了芯片内部元件数目、优化了芯片整体的结构排布；在保证测量精度和测量范围的条件下，又极大的减少了MEMS流量传感器芯片整体面积和体积，不仅可以大幅度降低生产加工成本，而且可以将MEMS流量传感器芯片应用于更狭小的空间。
以上所述，仅为本发明专利较佳的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种MEMS流量传感器芯片，其特征在于，所述MEMS流量传感器芯片包括具有腔体的基底、设置在基底下方的腔体保护层、叠设于基底上方的电阻元件支承层、载置于电阻元件支承层的感温元件和测流元件，其中，所述测流元件对应设置在所述腔体的正上方；所述感温元件设置在所述基底上方的非腔体对应的位置；所述腔体保护层封合所述基底的腔体以形成真空结构。
2.根据权利要求1所述的MEMS流量传感器芯片，其特征在于，还包括电阻元件保护层，所述电阻元件保护层覆盖所述感温元件和所述测流元件；所述感温元件为一个或多个，所述测流元件为一个或多个。
3.根据权利要求2所述的MEMS流量传感器芯片，其特征在于，还包括设置在所述电阻元件保护层上方的芯片保护层。
4.根据权利要求1或2所述的MEMS流量传感器芯片，其特征在于，所述感温元件和所述测流元件的材质均为镍、铂、金、铝、铜或者多晶硅。
5.根据权利要求4所述的MEMS流量传感器芯片，其特征在于，所述感温元件和/或所述测流元件的表面附着一层粘附层。
6.根据权利要求5所述的MEMS流量传感器芯片，其特征在于，所述粘附层为钛、铬、镍、氧化钛或者钛钨合金。
7.根据权利要求1或2所述的MEMS流量传感器芯片，其特征在于，所述腔体内填满气体或者液体。
8.根据权利要求2所述的MEMS流量传感器芯片，其特征在于，所述感温元件和所述测流元件嵌入所述电阻元件保护层，所述感温元件和所述测流元件为线状结构。
9.根据权利要求1所述的MEMS流量传感器芯片，其特征在于，还包括设置在MEMS流量传感器芯片周边的电极区域，所述电极区域用于连接所述MEMS流量传感器芯片与电路系统。
10.根据权利要求1所述的MEMS流量传感器芯片，其特征在于，所述感温元件的电阻值为所述测流元件的电阻值的2-100倍。
CN201811414115.XA 2018-11-26 2018-11-26 一种mems流量传感器芯片 Active CN111220224B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811414115.XA CN111220224B (zh) 2018-11-26 2018-11-26 一种mems流量传感器芯片

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811414115.XA CN111220224B (zh) 2018-11-26 2018-11-26 一种mems流量传感器芯片

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111220224A CN111220224A (zh) 2020-06-02
CN111220224B true CN111220224B (zh) 2021-07-13

Family

ID=70831885

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811414115.XA Active CN111220224B (zh) 2018-11-26 2018-11-26 一种mems流量传感器芯片

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111220224B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115047210A (zh) * 2021-11-30 2022-09-13 轻动科技(深圳)有限公司 一种基于Ni薄膜的MEMS呼吸流量装置
CN115655393B (zh) * 2022-11-09 2023-05-16 湖南大学 Mems气流传感器

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3802443B2 (ja) * 2002-05-02 2006-07-26 株式会社山武 流速センサ
JP3985801B2 (ja) * 2004-04-28 2007-10-03 株式会社デンソー 空気流量測定装置
JP5210491B2 (ja) * 2006-02-03 2013-06-12 日立オートモティブシステムズ株式会社 熱式流量センサ
DE102010015523A1 (de) * 2010-04-16 2011-10-20 Continental Automotive Gmbh Luftmassenmesser
US8418549B2 (en) * 2011-01-31 2013-04-16 Honeywell International Inc. Flow sensor assembly with integral bypass channel
CN207423990U (zh) * 2017-11-10 2018-05-29 苏州原位芯片科技有限责任公司 基于mems的流速传感器、流速测量电路
CN108375399A (zh) * 2018-03-20 2018-08-07 苏州原位芯片科技有限责任公司 流量传感器

Also Published As

Publication number Publication date
CN111220224A (zh) 2020-06-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7603898B2 (en) MEMS structure for flow sensor
US7021136B2 (en) Mass flow meter with symmetrical sensors
US6588268B1 (en) Flow rate sensor, temperature sensor and flow rate detecting apparatus
EP1333255B1 (en) Flow sensor
CN111220224B (zh) 一种mems流量传感器芯片
US11768093B2 (en) Flow sensing device
JP2000028411A (ja) 流量センサー及び流量検出装置
JP3210530B2 (ja) サーミスタ流速センサー
JP4844252B2 (ja) 熱式質量流量計
CN212903385U (zh) 基于mems的温差式气体流量传感器
JP2000046608A (ja) 流量センサー
CN216869661U (zh) 气体流向检测装置及热式流量传感器
RU2276775C2 (ru) Термоанемометрический датчик массового расхода жидкостей и газов
JPH0593732A (ja) フローセンサ
JP2006133243A (ja) フローセンサ
JP3766290B2 (ja) フローセンサ
JP2001281033A (ja) 液体用流量センサー
TWI243237B (en) Mass flow meter with chip-type sensors
JPH11118565A (ja) 流量センサー
JP2011209009A (ja) センサ
JP2001124607A (ja) 流量計
JP2000028410A (ja) 流量センサー、温度センサー及び流量検出装置
JPH11281441A (ja) 流量センサー
JP2000146655A (ja) 流量センサー
JP2006208402A (ja) フローセンサ

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant