CN1182371C - 压阻式微型气体流量计芯片及其制备方法和流量计 - Google Patents

Abstract

本发明的提供了一种压阻式微型气体流量计芯片及其制备方法。芯片周边为硅框架，中心为一带穿通图形的硅膜片，膜片中心的多孔区构成了一个网状结构拉住四块应变膜片，四块应变膜片用于设置两对垂直摆放的应变电阻。芯片制备方法是以常规压阻式压力计的芯片为基片，一次光刻制备出穿通膜片图形的掩膜，之后在进行高深宽比硅刻蚀来形成穿通的膜片结构。本发明还提供了采用所述芯片的微型气体流量计，是将芯片粘片在衬底打孔的TO管壳封装后作为流量计使用，或者采用专用的塑料封装方式。由于采用了MEMS技术，本发明的微型气体流量计具有体积小、结构简单、精度高、输出信号处理容易、适合于大批量低成本的制造等特点。

Description

压阻式微型气体流量计芯片及其制备方法和流量计

技术领域：

本发明涉及一种采用微电子机械系统(MEMS)技术设计制作的压阻式微型气体流量计器件(传感器)。

背景技术：

气体流量计在工艺自动化、家用燃气控制和医疗护理等方面有着广泛的应用。常用的传统流量计有浮子式、压力差式、质量流量计等。浮子式流量计因其技术成熟、成本较低、使用方便是最常用的流量计；但是浮子式流量计体积较大、精度低、零部件多、很难提供与流量对应的电信号输出。压力差式流量计结构比较复杂，需要两只以上的压力计传感器，因此器件成本较高。质量流量计精度较高、能够实现流量的主动控制，但质量流量计的结构复杂、价格昂贵应用受到很大限制。

随着社会的发展和人们生活水平的提高，在燃气自动计费和医疗护理中的输氧合理计费等方面都对气体流量传感器提出了新的要求。作为民用和消费类产品要求流量计具有低成本、高可靠、体积小、输出信号易于处理等要求。

发明内容：

本发明的目的是提供一种利用MEMS技术设计制造的微型流量计结构。与以往MEMS技术主要研究微小流量(微升或微微升)测量的思想不同，本项发明的微型流量计采取了适合于较大流量测量的抗过载微结构，主要用于0～10或0～20升/分钟(L/min)这一传统流量计检测范围的流量测量。并且其体积小、结构简单、精度高、输出信号处理容易、适合于大批量低成本的制造

本发明的技术方案如下：

压阻式微型气体流量计芯片，芯片周边为硅框架，中心为一带穿通图形的硅膜片，膜片中心的多孔区构成了一个网状结构拉住四块应变膜片，能够有效地提高膜片的抗冲击性能，使微型结构在较大流量范围的使用成为可能。在器件上使用了两对应变电阻呈垂直摆放，其作用与其他压阻式取样工作的器件相同，主要是在使用中构成电桥以获得较小输出漂移和较大的输出电压。流量计芯片的顶视结构如图2所示。

流量计芯片的具体工艺方案为：以常规压阻式压力计的芯片为基片，一次光刻制备出穿通膜片图形的掩膜，之后进行高深宽比硅刻蚀来形成穿通的膜片结构，如图3。

采用所述芯片的流量计，是将芯片粘片在衬底打孔的TO管壳封装后作为流量计使用，也可以采用专用的塑料封装方式，如图4。由于这种微型气体流量计是设计在低气压(＜0.1MP)下工作，因此对封装和接口耐压要求不高。

本发明的压阻式微型气体流量计，是以单晶硅电阻为基本取样单元，当气流吹过用硅MEMS工艺制作的单晶硅薄膜时会引起膜片变形(如图1所示)，薄膜上电阻的阻值会因变形而变化。具体器件结构如图2所示，器件芯片上的多孔区构成了一个网拉住四块应变膜片，能够有效地提高膜片的抗冲击性能，使微型结构在较大流量范围的使用成为可能。在器件上使用了两对应变电阻呈垂直摆放，其作用与其他压阻式取样工作的器件相同，主要是在使用中构成电桥以获得较小零点漂移和较大的电压输出。

器件芯片的制造工艺是以常规压阻式压力计芯片作为基片，在此基础上加一次光刻形成穿通膜片的图形，之后进行高深宽比硅刻蚀来形成穿通的膜片结构，如图3所示。芯片可以采用衬底打孔的TO管壳封装后作为流量计使用，也可以采用专用的塑料封装方式，如图4。由于这种微型气体流量计是设计在低气压(＜0.1MP)下工作，因此对封装和接口耐压要求不高。

压阻式微型气体流量计的使用十分简单，只要在器件进出口处接上气体管路，并配一个简单的信号处理电路就可以使用了。由于器件芯片结构的特点，这种流量计不分进出口，可测来自两个方向的气体流量。

本发明的优点与积极效果：本发明提供了一种使用简单、低成本、具有与流量对应电压输出的流量检测方案。计算和实验结果都表明，这种采用本发明芯片的流量计，其流量值和输出电压之间有很好的二次方关系，只要使用简单的指数放大器或单片机电路就能够实现流量与电压的线性对应。由于采用了MEMS技术，使得这种微型流量计具有体积小、结构简单、精度高、输出信号处理容易、适合于大批量低成本的制造等特点。这种微型化、低成本的流量计不仅将在很大范围内替代传统的浮子流量计，还将为气体流量计的使用开拓出一块新的市场。

附图说明：

图1为压阻式微型气体流量计工作示意图

图2为微型气体流量计管芯迎气流面(薄膜面)平面图

图3为微型流量计芯片制造示意图

(a)在已完成应变电阻制备的硅片上光刻

(b)高深宽比硅刻蚀穿通应变膜(微型流量计芯片)

图4为微型流量计器件结构示意图

图中，1-硅片；2-氧化硅；3-金属引线；4-应变电阻；5-应变膜；6-气流引起应变膜变形；7-气流方向；8-硅框架；9-背腔边缘；10-应变膜边缘；11-应变膜腐蚀穿通区；12-光刻胶；13-已完成应变电阻制备的硅片；14-流量计塑料壳；15-流量计进出口；16-压焊丝；17-PCB上引线淀积；18-PCB板；19-流量计芯片。

具体实施方式：

图4所示为采用PCB板框架与塑料封装的流量计器件结构，这种器件量程在0～5至0～20升/分钟，器件的制造工艺如下：

1.在压阻式压力计芯片上进行光刻形成穿通膜片图形，如图3(a)所示

2.硅深刻蚀形成穿通硅膜片，如图3(b)所示

3.流量计芯片划片、裂片

4.流量计芯片粘片到PCB框架板上

5.芯片引线压焊

6.塑料管壳粘接

Claims (4)

1.压阻式微型气体流量计芯片，其特征在于芯片周边为硅框架，中心为一带穿通图形的硅膜片，膜片中心的多孔区构成了一个网状结构拉住四块应变膜片，四块应变膜片上设置两对垂直摆放的应变电阻。

2.权利要求1所述压阻式微型气体流量计芯片的制备方法，是以常规压阻式压力计的芯片为基片，一次光刻制备出穿通膜片图形的掩膜，之后在进行高深宽比硅刻蚀来形成穿通的膜片结构。

3.压阻式微型气体流量计，其特征是采用权利要求1所述流量计芯片。

4.如权利要求3所述的压阻式微型气体流量计，其特征是所述芯片采用衬底打孔的TO管壳封装。

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