CN112146717B - 一种高灵敏度mems流量传感器芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高灵敏度MEMS流量传感器芯片，包括设置于微加热器底部的底层介质薄膜、设置于底层介质薄膜下方的硅衬底，以及设置于底层介质薄膜上方、微加热器两侧的热电堆，所述热电堆包括上下堆叠串联的多对热电偶，每对热电偶包括上下放置的P型硅和N型硅，以及用于连接P型硅和N型硅的金属热结，所述金属热结位于P型硅和N型硅上靠近微加热器的一端；每对热电偶的P型硅和N型硅之间，以及相邻的热电偶之间均设置用于电隔离的中间介质薄膜。本发明所公开的流量传感器芯片在不增加芯片面积的情况下，增加热电偶的数目，提高热电堆的灵敏度，进而实现MEMS流量传感器芯片的信噪比和检测精度输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种流量传感器芯片，特别涉及一种高灵敏度MEMS流量传感器芯片。
背景技术
基于微机电系统(MEMS)技术的流量传感器芯片，可用于测量气体或者液体的微小流量。其原理如图1和图2所示，芯片上有一个薄膜结构，薄膜上有一个微加热器(材料通常是多晶硅或者金属)和一对热电堆，分别位于微加热器左右两侧。当无气流流过的时候，左右两侧热电堆具处于相同的温度，两个热电堆的输出电压也相同；当有气流流过的时候，热量被气流带动，导致上游(进气方向)的温度变低，下游(出气方向)的温度变高，通过测量两侧的热电堆输出电压差可以计算得到气流的大小。
该MEMS流量传感器芯片的信噪比和检测精度主要决定于两侧热电堆的灵敏度，两侧热电堆对温度变化的响应度越高，流量传感器对气流流量检测精度越高。
为提高热电堆的灵敏度，目前主要采用三种方法：1.把支撑用的介质薄膜和热电堆做薄，减小导热率，提高热结和冷结之间的温差；2.选用具有更高塞贝克系数的热电堆材料；3.采用更大面积的芯片，通过放置更多的热电偶，构成高灵敏度的热电堆(热电堆是通过一组热电偶串联实现，灵敏度与热电偶的数量成正比)。目前典型的MEMS流量传感器芯片和两侧热电堆结构如图3所示。现有的方法不能在微小的芯片上有效地提高检测精度。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种高灵敏度MEMS流量传感器芯片，以达到提高两侧热电堆的灵敏度，进而提高MEMS流量传感器芯片的信噪比和检测精度的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种高灵敏度MEMS流量传感器芯片，包括设置于微加热器底部的底层介质薄膜、设置于底层介质薄膜下方的硅衬底，以及设置于底层介质薄膜上方、微加热器两侧的热电堆，所述热电堆包括上下堆叠串联的多对热电偶，每对热电偶包括上下放置的P型硅和N型硅，以及用于连接P型硅和N型硅的金属热结，所述金属热结位于P型硅和N型硅上靠近微加热器的一端；每对热电偶的P型硅和N型硅之间，以及相邻的热电偶之间均设置用于电隔离的中间介质薄膜。
上述方案中，所述底层介质薄膜上位于微加热器与热电堆之间开设用于正面刻蚀的释放孔，所述硅衬底为一体结构，上部开设刻蚀槽。
上述方案中，所述硅衬底为左右分体结构，左右两侧的硅衬底之间为刻蚀槽。
优选地，所述金属热结材料为铝。
优选地，所述底层介质薄膜和中间介质薄膜为二氧化硅或氮化硅材料。
通过上述技术方案，本发明提供的一种高灵敏度MEMS流量传感器芯片在不增加芯片面积的情况下，增加热电偶的数目，提高热电堆的灵敏度，进而实现MEMS流量传感器芯片的信噪比和检测精度输出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为现有的流量传感器芯片原理示意图(无气流)；
图2为现有的流量传感器芯片原理示意图(有气流)；
图3为目前典型的MEMS流量传感器芯片和两侧热电堆结构；
图4为本发明实施例一所公开的高灵敏度MEMS流量传感器芯片结构示意图；
图5为本发明实施例二所公开的高灵敏度MEMS流量传感器芯片结构示意图；
图6为热电偶工作原理示意图；
图7为热电堆工作原理示意图。
图中，1、微加热器；2、底层介质薄膜；3、硅衬底；4、P型硅；5、N型硅；6、金属热结；7、中间介质薄膜；8、热电堆；9、释放孔；10、刻蚀槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种高灵敏度MEMS流量传感器芯片，包括设置于微加热器1底部的底层介质薄膜2、设置于底层介质薄膜2下方的硅衬底3，以及设置于底层介质薄膜2上方、微加热器1两侧的热电堆。热电堆包括上下堆叠串联的多对热电偶TN，每对热电偶包括上下放置的P型硅4和N型硅5，以及用于连接P型硅4和N型硅5的金属热结6，金属热结6位于P型硅4和N型硅5上靠近微加热器1的一端；每对热电偶的P型硅4和N型硅5之间，以及相邻的热电偶之间均设置用于电隔离的中间介质薄膜7。
如图4所示的实施例一，底层介质薄膜2上位于微加热器1与热电堆之间开设用于正面刻蚀的释放孔9，硅衬底3为一体结构，上部开设刻蚀槽10。该芯片采用正面释放的方式，把底部支撑结构硅衬底3进行刻蚀，实现悬空。
如图5所示的实施例二，硅衬底3为左右分体结构，左右两侧的硅衬底3之间为刻蚀槽10。该芯片采用背面释放的方式，通过深硅刻蚀的工艺，从芯片背面对硅衬底3进行刻蚀，最终形成一个小热容、低导热率的薄膜结构，以便于在微加热器1在较低的加热功率下，就能达到比较高的温度。
上述实施例中，金属热结6材料为铝。底层介质薄膜2和中间介质薄膜7为二氧化硅或氮化硅材料。
本发明的流量传感器芯片的工作原理如下：
中间的微加热器1在一定功率下工作，形成一个稳定的热场；两侧是热电堆，用于测量微加热器1两端的温度场变化；当有气流流过时，温度场发生变化，通过测量两侧的热电堆输出电压差可以计算得到气流的大小。
热电堆工作原理如图6和图7所示，热电堆是有多个热电偶串联形成，热电偶是由两种不同塞贝克系数的材料组成，塞贝克系数分别为SA和SB，材料两端存在温度差为ΔT，因此，两个材料结构的冷端(又叫冷结)会出现一个由于载流子移动速度不同所导致的电压差Vout-V0＝(SA-SB)×ΔT。
由于热电堆是由N个热电偶串联而成，因此，输出电压为单个热电偶输出的N倍。从而提高了热电堆的灵敏度，进而实现MEMS流量传感器芯片的信噪比和检测精度输出。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (5)
1.一种高灵敏度MEMS流量传感器芯片，包括设置于微加热器底部的底层介质薄膜、设置于底层介质薄膜下方的硅衬底，以及设置于底层介质薄膜上方、微加热器两侧的热电堆，其特征在于，所述热电堆包括上下堆叠串联的多对热电偶，每对热电偶包括上下放置的P型硅和N型硅，以及用于连接P型硅和N型硅的金属热结，所述金属热结位于P型硅和N型硅上靠近微加热器的一端；每对热电偶的P型硅和N型硅之间，以及相邻的热电偶之间均设置用于电隔离的中间介质薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度MEMS流量传感器芯片，其特征在于，所述底层介质薄膜上位于微加热器与热电堆之间开设用于正面刻蚀的释放孔，所述硅衬底为一体结构，上部开设刻蚀槽。
3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度MEMS流量传感器芯片，其特征在于，所述硅衬底为左右分体结构，左右两侧的硅衬底之间为刻蚀槽。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种高灵敏度MEMS流量传感器芯片，其特征在于，所述金属热结材料为铝。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种高灵敏度MEMS流量传感器芯片，其特征在于，所述底层介质薄膜和中间介质薄膜为二氧化硅或氮化硅材料。
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