CN114166402B - 一种mems气流压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MEMS气流压力传感器及其制备方法，包括依次层叠设置的第一气流通道层、第一硅膜层、电极及压电敏感层、第二硅膜层和第二气流通道层；第一气流通道层包括至少一个第一气流通道；第二气流通道层包括至少一个第二气流通道；第一硅膜层覆盖于所有第一气流通道的开口端；第二硅膜层覆盖于所有第二气流通道的开口端；电极及压电敏感层包括多个压电晶体和金属电极；每一压电晶体均和金属电极连接；每一相对设置的第一气流通道的开口端和第二气流通道的开口端之间均设有压电晶体。利用压电材料的压电效应检测气流产生的压力大小，不受过热、过冷环境的影响，不存在传感器内部热平衡状态难以保持的问题，提高传感器气流压力检测的准确性。

Description

一种MEMS气流压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及微型气流传感器设计的技术领域，特别是涉及一种MEMS气流压力传感器及其制备方法。

背景技术

气流传感器在很多领域都有重要应用，近些年来，电子烟的出现对微型气流传感器需求量增加，基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微电机系统)工艺制作的气流传感器具有体积小的优势，备受青睐。

目前用的比较多的方案是采用加热装置和热敏组件构成(霍尼韦尔的产品气流传感器采用方案)，通过加热装置提供一个热平衡温度场，当有气流通过会产生温度差，利用气流大小与温度变化的关系，实现气流的检测，一般通过热敏组件阻值的变化来测量温度变化，将温度信号转化为电信号。但是这种气流传感器需要外部提供电源，当电源供压不足或者处于过热、过冷的环境下，器件内部热平衡状态难以保持，大大影响器件的稳定性以及测量的准确度。针对上述问题，本发明提出了一种MEMS气流压力传感器及其制备方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种MEMS气流压力传感器及其制备方法，利用压电材料的压电效应检测气流产生的压力大小，不受过热、过冷环境的影响，不存在传感器内部热平衡状态难以保持的问题，提高传感器气流压力检测的准确性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种MEMS气流压力传感器，包括依次层叠设置的第一气流通道层、第一硅膜层、电极及压电敏感层、第二硅膜层和第二气流通道层；

所述第一气流通道层包括至少一个第一气流通道；所述第二气流通道层包括至少一个第二气流通道；

所述第一气流通道的开口端和所述第二气流通道的开口端相对设置；

所述第一硅膜层覆盖于所有所述第一气流通道的开口端；所述第二硅膜层覆盖于所有所述第二气流通道的开口端；

所述电极及压电敏感层包括多个压电晶体和金属电极；每一所述压电晶体均和所述金属电极连接；

每一相对设置的所述第一气流通道的开口端和所述第二气流通道的开口端之间均设有所述压电晶体；

所述压电晶体，用于检测所述第一气流通道和所述第二气流通道中的气流对所述第一硅膜层和所述第二硅膜层产生的压力；

所述金属电极，用于输出所述压电晶体检测的气流压力信号。

可选的，所述第一硅膜层包括完全覆盖于所述第一气流通道层表面的硅膜；

所述第二硅膜层包括完全覆盖于所述第二气流通道层表面的硅膜。

可选的，所述第一硅膜层包括多个第一硅膜，所述第一硅膜与所述第一气流通道一一对应，所述第一硅膜设于与其对应的所述第一气流通道的开口端；

所述第二硅膜层包括多个第二硅膜，所述第二硅膜与所述第二气流通道一一对应，所述第二硅膜设于与其对应的所述第二气流通道的开口端。

可选的，所述金属电极采用叉指电极，所述叉指电极的相邻两电极之间均设有所述压电晶体。

可选的，在所述叉指电极的相邻两电极之间设置的所述压电晶体与所述第一气流通道的开口端一一对应。

可选的，所述叉指电极的各电极之间设置的所有所述压电晶体呈阵列排布。

可选的，所述金属电极的厚度小于等于所述压电晶体的厚度。

可选的，所述第二气流通道层还包括两个引线通孔，两个所述引线通孔分别与所述金属电极的正负电极连接。

可选的，每个所述引线通孔内填充有导电浆料。

本发明还提供了一种MEMS气流压力传感器的制备方法，包括：

在第一硅基底上设置至少一个第一凹槽通道；

在所述第一凹槽通道的开口端键合第一硅膜；

在所述第一硅膜表面设置金属电极和压电晶体；

在所述金属电极表面和所述压电晶体表面键合第二硅膜；

在第二硅基底上设置至少一个第二凹槽通道；将所述第二凹槽通道的开口端与所述第一凹槽通道的开口端相对设置；

将所述第二凹槽通道的开口端与所述第二硅膜进行键合，得到MEMS气流压力传感器。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种MEMS气流压力传感器及其制备方法，包括依次层叠设置的第一气流通道层、第一硅膜层、电极及压电敏感层、第二硅膜层和第二气流通道层；第一气流通道层包括至少一个第一气流通道；第二气流通道层包括至少一个第二气流通道；第一硅膜层覆盖于所有第一气流通道的开口端；第二硅膜层覆盖于所有第二气流通道的开口端；电极及压电敏感层包括多个压电晶体和金属电极；每一压电晶体均和金属电极连接；每一相对设置的第一气流通道的开口端和第二气流通道的开口端之间均设有压电晶体；压电晶体，用于检测第一气流通道和第二气流通道中的气流对第一硅膜层和第二硅膜层产生的压力；金属电极，用于输出所述压电晶体检测的气流压力信号。与现有技术相比，利用压电材料的压电效应检测气流产生的压力大小，不受过热、过冷环境的影响，不存在传感器内部热平衡状态难以保持的问题，提高传感器气流压力检测的准确性。并且本发明利用压电效应原理检测气流压力，不需要外部提供电源，实现了无源检测，而且不需要使器件一直处于供电状态，降低了产品的功耗；同时采用无引线设计，采用各层直接贴合的方式上，避免了打线操作，既减小了封装体积，也提高了器件性能的稳定性。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的一种MEMS气流压力传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的第一气流通道层的结构示意图；

图3为本发明实施例1提供的电极及压电敏感层的结构示意图；

图4为本发明实施例2提供的一种MEMS气流压力传感器的制备流程图。

符号说明：

1：第一气流通道层；11：第一气流通道；2：第一硅膜层；3：电极及压电敏感层；31：压电晶体；32：金属电极；4：第二硅膜层；5：第二气流通道层；51：第二气流通道；6：引线通孔。

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种MEMS气流压力传感器及其制备方法，利用压电材料的压电效应检测气流产生的压力大小，不受过热、过冷环境的影响，不存在传感器内部热平衡状态难以保持的问题，提高传感器气流压力检测的准确性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

请参阅图1，本实施例提供了一种MEMS气流压力传感器，包括依次层叠设置的第一气流通道层1、第一硅膜层2、电极及压电敏感层3、第二硅膜层4和第二气流通道层5；

所述第一气流通道层1包括至少一个第一气流通道11；所述第二气流通道层5包括至少一个第二气流通道51；

如图2所示，所述第一气流通道11的开口端和所述第二气流通道51的开口端相对设置；

所述第一硅膜层2覆盖于所有所述第一气流通道11的开口端；所述第二硅膜层4覆盖于所有所述第二气流通道51的开口端；

考虑到硅膜层主要是为了用硅膜覆盖在气流通道的开口端，所以在设计硅膜层时，可以选择用硅膜完全覆盖整个气流通道层，也可以仅选择用硅膜只覆盖在每个气流通道开口端。即；所述第一硅膜层2包括完全覆盖于所述第一气流通道层1表面的硅膜；所述第二硅膜层4包括完全覆盖于所述第二气流通道层5表面的硅膜。或者所述第一硅膜层2包括多个第一硅膜，所述第一硅膜与所述第一气流通道11一一对应，所述第一硅膜设于与其对应的所述第一气流通道11的开口端。所述第二硅膜层4包括多个第二硅膜，所述第二硅膜与所述第二气流通道51一一对应，所述第二硅膜设于与其对应的所述第二气流通道51的开口端。

由于本实施例主要是应用压电效应来检测气流压力，所以必然要设置压电材料，如图3所示，所述电极及压电敏感层3包括多个压电晶体31和金属电极32；每一所述压电晶体31均和所述金属电极32连接。

所述压电晶体31，用于检测所述第一气流通道11和所述第二气流通道51中的气流对所述第一硅膜层2和所述第二硅膜层4产生的压力；

所述金属电极32，用于输出所述压电晶体31检测的气流压力信号。

各层采用层叠设置的方式，各层之间可直接实现贴合，不用布线，减小封装体积，也能够保证传感器性能的稳定。

为了能够更准确的检测气流压力，要求在每一相对设置的所述第一气流通道11的开口端和所述第二气流通道51的开口端之间均设置所述压电晶体31。

另外，压电晶体31的设置可以根据金属电极32的设置做改变，当金属电极32选择为叉指电极时，可以在所述叉指电极的相邻两电极之间均设有所述压电晶体31。并且还可以进一步的要求在所述叉指电极的相邻两电极之间设置的所述压电晶体31与所述第一气流通道11的开口端一一对应。这样设置可以保证叉指电极的相邻两电极之间的区域内，每一个气流通道开口端都对应有压电晶体31，当气流通道流通气体时，可以更准确的检测气流压力。

为了使压电晶体31的布设更具有一定的规律，并且便于实际制作，可以将所述叉指电极的各电极之间设置的所有所述压电晶体31呈阵列排布，并且采用阵列设计，实现了检测的高灵敏度。这样也间接的使得气流通道的设置更具有一定的规律，更易于制作。

考虑到气流压力传感器主要是通过气流流通第一气流通道11和第二气流通道51时，气流会对第一硅膜层2和第二硅膜层4中的硅膜产生压力，该压力通过硅膜将力作用在压电晶体31两侧，对压电晶体31产生挤压，使得压电晶体31输出一定的电压信号，所以，为了能够保证气流的压力能够全部的作用在压电晶体31上，需要保证所述金属电极32的厚度小于等于所述压电晶体31的厚度。金属电极32的厚度优选为5μm，并且金属电极32材料可选用Al、Cr/Au、Ti/Au、Pt等导电材料，这里选用Cr/Au作为金属电极32材料，因为Au不会被氧化，而且导电性能极好。压电材料可以选用AlN压电材料、ZnO压电材料或者PZT压电材料，这里优先选用AlN作为敏感层材料。

为了保证气流大或气流小时都能够实现准确的检测，要求硅膜的厚度不能太厚，否则流经气流通道的气流对硅膜产生作用力不能全部传输至压电晶体31上，所以对硅膜厚度有一定的要求，优选的，硅膜厚度为5μm。

对于金属电极32输出压电晶体31检测的气流压力信号的方式，可以选择在所述第二气流通道层5还包括两个引线通孔6，两个所述引线通孔6的位置分别与所述金属电极32的正负电极相对应。这里需要说明的是，当第二硅膜层4为完全覆盖于所述第二气流通道层5表面的硅膜时，两个所述引线通孔6需要贯穿所述第二硅膜层4，实现与金属电极32的正负电极连接。

每个所述引线通孔6内可以填充导电浆料，对导电浆料烧结后形成与外部连接的接触电极，这样能够将压电晶体31检测的气流压力信号通过金属电极32和接触电极传输到外部电路。

下面将介绍本实施例的MEMS气流压力传感器的工作原理：

当气流通道有微小气流通过时，微小气流在流过气流通道的过程中，会作用于硅膜层，气流对硅膜产生应力，间接的挤压到压电晶体31，当压电晶体31受到外部作用，压电晶体31的侧壁会产生电势变化，通过金属电极32将变化的电信号传递给外部电路。根据输出电信号与待测气流流速的对应关系，则得到待测气流流速。

本实施例中，设置气体传输双通道，在气流通道开口端对应设置压电晶体31，从而能够利用气流挤压压电晶体31而产生电压信号，再由金属电极32将电压信号传输至外部。利用压电效应检测气流压力大小，提高检测的准确性。从整体结构上来说，传感器包括气流通道，硅膜、金属电极32和压电晶体31，结构简单，易于制作，成本低，传感器的大小可根据需求进行调整，设计灵活。

综述，本实施设计的微型气流传感器具有体积小、无需供电、易于封装、高灵敏度、稳定性好的特点，很好的满足电子烟对气流传感器小体积、低功耗、高灵敏度的需求。采用压电材料，不需要外部提供电源，降低了产品的功耗；同时采用无引线设计，可以直接贴合在基板电极上，避免了打线操作，既减小了封装体积，也提高了器件性能的稳定性；基于MEMS工艺设计制作，工艺成熟简单，成本低廉，能够大批量生产，经济性好。本发明设计的气流传感器在性能以及成本上都具有很大的优势。

实施例2

如图4所示，本实施例提供了一种MEMS气流压力传感器的制备方法，包括：

S1：在第一硅基底上设置至少一个第一凹槽通道；

首先选择硅片作为基底，在基底上利用光刻技术获得气流通道的图形，可以通过干法刻蚀工艺或湿法腐蚀工艺制作凹槽结构，干法刻蚀工艺优选RIE(反应离子刻蚀)刻蚀工艺，湿法腐蚀工艺优选KOH溶液各向异性腐蚀工艺或HNA溶液各向同性腐蚀工艺，凹槽通道可以是方形、矩形、半圆弧形等，这里选择矩形凹槽通道，深度为100um，宽度均为50um的凹槽通道，对凹槽表面进行CMP(Chemical MechanicalPolishing，化学机械抛光)工艺进行平整化处理。

S2：在所述第一凹槽通道的开口端键合第一硅膜；

通过键合工艺，在凹槽通道表面键合一层薄硅片，通过CMP(Chemical MechanicalPolishing，化学机械抛光)工艺对薄硅片进行减薄处理，这里设计硅膜厚度为5um。

S3：在所述第一硅膜表面设置金属电极32和压电晶体31；

具体包括：

在硅膜表面利用光刻技术获得金属电极的图形，所述第一硅膜表面粘附一层金属导电材料；

在所述金属导电材料的表面利用光刻技术获得所述金属电极的叉指图形；

依据所述叉指图形利用剥离技术去除所述金属电极以外的所述金属导电材料；只保留粘附在硅膜表面的叉指输出电极结构。金属电极位于第一硅膜层表面，其结构为叉指型，呈现为梳齿状。

在所述金属电极32的相邻两电极之间布设所述压电晶体31，所述压电晶体31设于所述第一凹槽通道开口端和所述第二凹槽通道的开口端之间。压电晶体材料可以选用AlN压电材料、ZnO压电材料或者PZT压电材料，这里优先选用AlN作为敏感层材料，压电晶体材料主要处于叉指电极的缝隙间，厚度与金属电极持平，制作流程与制作金属电极步骤相同。

利用通过CMP(Chemical Mechanical Polishing，化学机械抛光)工艺对压电晶体31以及金属电极进行平坦化处理。

S4：在所述金属电极32表面和所述压电晶体31表面键合第二硅膜；

通过键合工艺，在电极及压电敏感层表面键合一层薄硅片，通过CMP(化学机械抛光)工艺对薄硅片进行减薄处理。

S5：在第二硅基底上设置至少一个第二凹槽通道；将所述第二凹槽通道的开口端与所述第一凹槽通道的开口端相对设置；(与步骤S1得到气流通道结构步骤相同)。

S6：将所述第二凹槽通道的开口端与所述第二硅膜进行键合，构成气流双通道，得到MEMS气流压力传感器。

在步骤S6键合工艺之后，还可以在第二硅基底上刻蚀引线通孔，可以选用干法刻蚀工艺或者湿法腐蚀工艺，这里优选RIE(反应离子刻蚀)刻蚀工艺，在步骤5)的硅基底表面制作两个引线通孔，每个通孔位置在数竖直方向上与金属电极的Pad(正负电极)一一对应。在引线通孔内部填充导电浆料，然后高温烧结形成与外部连接的接触电极。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种MEMS气流压力传感器，其特征在于，包括依次层叠设置的第一气流通道层、第一硅膜层、电极及压电敏感层、第二硅膜层和第二气流通道层；

所述第一气流通道层包括至少一个第一气流通道；所述第二气流通道层包括至少一个第二气流通道；

所述第一气流通道的开口端和所述第二气流通道的开口端相对设置；

所述第一硅膜层覆盖于所有所述第一气流通道的开口端；所述第二硅膜层覆盖于所有所述第二气流通道的开口端；

所述电极及压电敏感层包括多个压电晶体和金属电极；每一所述压电晶体均和所述金属电极连接；

每一相对设置的所述第一气流通道的开口端和所述第二气流通道的开口端之间均设有所述压电晶体；

所述压电晶体，用于检测所述第一气流通道和所述第二气流通道中的气流对所述第一硅膜层和所述第二硅膜层产生的压力；

所述金属电极，用于输出所述压电晶体检测的气流压力信号；

所述金属电极采用叉指电极，所述叉指电极的相邻两电极之间均设有所述压电晶体；

所述叉指电极的各电极之间设置的所有所述压电晶体呈阵列排布。

2.根据权利要求1所述的MEMS气流压力传感器，其特征在于，所述第一硅膜层包括完全覆盖于所述第一气流通道层表面的硅膜；

所述第二硅膜层包括完全覆盖于所述第二气流通道层表面的硅膜。

3.根据权利要求1所述的MEMS气流压力传感器，其特征在于，所述第一硅膜层包括多个第一硅膜，所述第一硅膜与所述第一气流通道一一对应，所述第一硅膜设于与其对应的所述第一气流通道的开口端；

所述第二硅膜层包括多个第二硅膜，所述第二硅膜与所述第二气流通道一一对应，所述第二硅膜设于与其对应的所述第二气流通道的开口端。

4.根据权利要求1所述的MEMS气流压力传感器，其特征在于，在所述叉指电极的相邻两电极之间设置的所述压电晶体与所述第一气流通道的开口端一一对应。

5.根据权利要求1所述的MEMS气流压力传感器，其特征在于，所述金属电极的厚度小于等于所述压电晶体的厚度。

6.根据权利要求2或3所述的MEMS气流压力传感器，其特征在于，所述第二气流通道层还包括两个引线通孔，两个所述引线通孔分别与所述金属电极的正负电极连接。

7.根据权利要求6所述的MEMS气流压力传感器，其特征在于，每个所述引线通孔内填充有导电浆料。

8.一种MEMS气流压力传感器的制备方法，其特征在于，包括：

在第一硅基底上设置至少一个第一凹槽通道；

在所述第一凹槽通道的开口端的上表面键合第一硅膜；

在所述第一硅膜的上表面设置金属电极和压电晶体；所述金属电极采用叉指电极，所述叉指电极的相邻两电极之间均设有所述压电晶体；所述叉指电极的各电极之间设置的所有所述压电晶体呈阵列排布；所述压电晶体与相邻两电极连接；

在所述金属电极的上表面和所述压电晶体的上表面键合第二硅膜；

在第二硅基底上设置至少一个第二凹槽通道；将所述第二凹槽通道的开口端与所述第一凹槽通道的开口端相对设置；所述压电晶体设于所述第一凹槽通道的开口端和所述第二凹槽通道的开口端之间；

将所述第二凹槽通道的开口端的下表面与所述第二硅膜的上表面进行键合，得到MEMS气流压力传感器；

所述压电晶体，用于检测所述第一凹槽通道和所述第二凹槽通道中的气流对所述第一硅膜和所述第二硅膜产生的压力；

所述金属电极，用于输出所述压电晶体检测的气流压力信号。