CN204128607U - 一种热膜式流量传感芯片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种热膜式流量传感芯片，自下而上依次包括基底硅层、氮化硅绝缘层和金属电阻层；氮化硅绝缘层为低应力氮化硅绝缘层，直接沉积在基底硅层上；基底硅层位于氮化硅绝缘层中间区域下方的区域被刻蚀，使氮化硅绝缘层中间区域形成悬空结构；金属电阻层包括一个用于加热气体的加热电阻，一个测量加热电阻温度的测温电阻，四个测量气体温度的电阻，一个补偿电桥平衡的电阻和一个测量环境气体温度的电阻。通过将以上各个电阻及其特定方式排列布局，并选取合适的补偿电桥平衡的电阻，以及调整加热电阻的电阻功率，能够使热膜式流量传感芯片取得零点漂移低、测量精度高的效果。
Description
技术领域
本实用新型属于微机电系统(MEMS)流量检测领域，更具体地，涉及一种热膜式流量传感芯片。
背景技术
在现代工业生产和科学实验中，气体的流量是经常测量和控制的参数之一。流量的测量有体积与质量计量两种方式。体积流量计其计量精确度往往受温度、压力等工况变化的影响，误差较大；质量流量由于不受粘度、密度、电导率、压力和温度的影响，因此在要求精确计量的场合往往采用质量流量计量。热膜式流量传感芯片是根据托马斯(Thomas)提出的“气体的放热量或吸热量与该气体的质量流量成正比”的理论，即流动中的流体与热源之间的热量交换关系来测量流量的，是目前国际上应用最广泛的气体流量检测技术。
现有的热膜式流量传感芯片由于电桥中四个电阻制造工艺存在误差，造成电阻不匹配，使得电桥零点漂移较大。现有技术中用于减小零点漂移的方式主要包括在芯片外进行电阻补偿。然而，进一步研究表明，尽管在芯片外进行电阻补偿能够减小零点漂移，但由于电桥电阻制造工艺误差以及芯片外补偿电阻与芯片上电阻的电阻温度系数、所处的温度环境往往不同，导致在芯片外进行电阻补偿时电桥仍存在绝对值较大的零点漂移，限制了测量精度的进一步提高。
实用新型内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型的目的在于提供一种热膜式流量传感芯片，其中通过对其关键组件的结构、内部构造、电阻排列方式等进行改进，与现有技术相比能够有效解决现有热膜式流量传感芯片零点漂移大、测量精度低的问题，从而实现气体流量的高精度测量。
为实现上述目的，按照本实用新型，提供了一种热膜式流量传感芯片，其特征在于，自下而上依次包括基底硅层、氮化硅绝缘层和金属电阻层；
所述氮化硅绝缘层为低应力氮化硅绝缘层，直接沉积在所述基底硅层上；
所述基底硅层位于所述氮化硅绝缘层中间区域下方的区域被刻蚀，使所述氮化硅绝缘层中间区域形成悬空结构；
所述金属电阻层包括一个用于加热气体的加热电阻，一个测量所述加热电阻温度的测温电阻，四个测量气体温度的电阻，一个补偿电桥平衡的电阻和一个测量环境气体温度的电阻。
作为本实用新型的进一步优选，所述测量环境气体温度的电阻位于所述氮化硅绝缘层非悬空结构的上方；
所述加热电阻、测量所述加热电阻温度的测温电阻、测量气体温度的电阻和补偿电桥平衡的电阻均设置在所述氮化硅绝缘层悬空结构的上方，从而避免所述基底硅层传热的影响；所述加热电阻位于所述氮化硅绝缘层悬空结构中间区域的上方，所述测量加热电阻温度的测温电阻围绕所述加热电阻，所述补偿电桥平衡的电阻围绕所述测量加热电阻温度的测温电阻，所述四个测量气体温度的电阻对称布置在所述加热电阻的两侧。
作为本实用新型的进一步优选，所述补偿电桥平衡的电阻为分段可调的，是根据所述四个测量气体温度的电阻所构成的电桥中桥路电阻误差调整后得到的。
作为本实用新型的进一步优选，所述测量加热电阻温度的测温电阻测得的加热电阻温度值与所述测量环境气体温度的电阻测得的环境气体温度值两者形成差分信号，用于反馈控制所述加热电阻的电阻功率。
作为本实用新型的进一步优选，所述氮化硅绝缘层的厚度为300纳米至2000纳米。
作为本实用新型的进一步优选，所述金属电阻层为折线形，横截面为矩形。
作为本实用新型的进一步优选，所述金属电阻层自下而上依次包括Cr层和Pt层；所述Cr层厚度为10纳米至100纳米；Pt层厚度为50纳米至200纳米。
作为本实用新型的进一步优选，所述加热电阻的阻值为30-100欧姆，所述测量加热电阻温度的测温电阻的阻值为300-900欧姆，所述补偿电桥平衡的电阻的阻值为30-400欧姆，所述四个测量气体温度的电阻的阻值均为600-1500欧姆，所述测量环境气体温度的电阻的阻值为1000-1600欧姆。
通过本实用新型所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于将电阻层设置为一个用于加热气体的加热电阻、一个测量所述加热电阻温度的测温电阻、四个测量气体温度的电阻、一个补偿电桥平衡的电阻和一个测量环境气体温度的电阻，并且将以上各个电阻按特定方式排列布局，能够取得降低零点漂移的效果。另外，由于所述补偿电桥平衡的电阻是分段可调式的，是可以根据所述四个测量气体温度的电阻所构成的电桥中桥路电阻误差调整后得到的，克服了采用芯片内电阻补偿方式对补偿电阻阻值选定的难题，而且所述加热电阻的电阻功率也受到来自加热电阻温度值与环境气体温度值两者形成的差分信号的控制，使得该热膜式流量传感芯片中电桥的零点漂移能够进一步有效的降低，从而使得该热膜式流量传感芯片具有低零点漂移、高测量精度的有益效果。
附图说明
图1是实施例1的结构示意图；
图2是实施例1中金属电阻层结构俯视图；
图3是补偿电桥平衡的电阻结构俯视图。
图中：1为经刻蚀的基底硅层，2为氮化硅绝缘层，3为用于加热气体的加热电阻，4为测量所述加热电阻温度的测温电阻，5为补偿电桥平衡的电阻，5(a)－5(h)为补偿电桥平衡的电阻的中间焊盘，6－9为四个测量气体温度的电阻，10为测量环境气体温度的电阻。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
实施例1
低零点漂移的热膜式流量传感芯片的结构如图1和2所示，其对应的加工工艺如下：
(1)基于硅加工工艺在基底硅层1上方通过LPCVD沉积一层低应力氮化硅绝缘层2，氮化硅绝缘层2的厚度为300nm；
(2)氮化硅绝缘层2中间区域下面的硅被ICP干法刻蚀，使得氮化硅绝缘层2中间区域形成悬空薄膜；
(3)在氮化硅绝缘层2上方用溅射依次形成Cr层和Pt层构成金属电阻层，金属电阻层为折线形，横截面为矩形；其中Cr层厚度为10纳米，Pt层厚度为50纳米；该金属电阻层包括一个加热气体的电阻3，一个测量加热电阻温度的测温电阻4，四个测量气体温度的电阻6、7、8、9，一个补偿电桥平衡的电阻5，以及一个测量环境气体温度的电阻10。
其中，加热气体的电阻3，测量加热电阻温度的测温电阻4，测量气体温度的电阻6、7、8、9和补偿电桥平衡的电阻5，均被布置在氮化硅绝缘层2悬空薄膜区域上，使它们免受硅基底1传热影响；加热气体电阻3被布置在悬空薄膜2区域中间上面，测量加热电阻温度的测温电阻4围绕加热电阻3，补偿电桥平衡的电阻5围绕测量加热电阻温度的测温电阻4，四个测量气体温度的电阻6－9对称布置在所述加热电阻4的两侧，位于补偿电桥平衡的电阻5外；测量环境气体温度的电阻10被布置在氮化硅绝缘层2非悬空薄膜区域上，并尽量远离加热气体的电阻3。加热电阻3的阻值为30欧姆，测量加热电阻温度的测温电阻4的阻值为300欧姆，四个测量气体温度的电阻6-9的阻值均为600欧姆，测量环境气体温度的电阻10的阻值为1000欧姆。
另外，补偿电桥平衡的电阻5的阻值为30欧姆，补偿电桥平衡的电阻5是分段可调的，是先测量四个测量气体温度电阻6、7、8、9所构成的电桥中桥路电阻误差，再根据该桥路电阻误差通过调整中间焊盘5(a)－5(h)从而选取适合的分段补偿电桥平衡电阻。将选取的分段的补偿电桥平衡电阻如5(a)段串联到桥路中，则可以补偿桥路电阻误差，使得电桥零点漂移降低。
另一方面，测量加热电阻的电阻4测得的加热电阻温度值与测量环境气体电阻10测得的环境气体温度值两者形成差分信号来反馈控制加热气体电阻3功率，使得电桥测量的气体流量值不受环境气体温度变化的影响。
实施例2
低零点漂移的热膜式流量传感芯片对应的加工工艺如下：
(1)基底硅层1上方通过LPCVD沉积一层低应力氮化硅绝缘层2，氮化硅绝缘层2的厚度为2000纳米；
(2)氮化硅绝缘层2中间区域下面硅被KOH湿法刻蚀，使得氮化硅绝缘层2中间区域形成悬空薄膜；
(3)在氮化硅绝缘层2上方用蒸发依次形成Cr层和Pt层构成金属电阻层，金属电阻层为折线形，横截面为矩形；其中Cr层厚度为100纳米，Pt层厚度为200纳米；该金属电阻层包括一个加热气体的电阻3，一个测量加热电阻温度的测温电阻4，四个测量气体温度的电阻6、7、8、9，一个补偿电桥平衡的电阻5，和一个测量环境气体温度的电阻10。
其中，加热气体的电阻3，测量加热电阻温度的测温电阻4，测量气体温度的电阻6、7、8、9，和补偿电桥平衡的电阻5，均被布置在氮化硅绝缘层2悬空薄膜区域上，使它们免受硅基底1传热影响；加热气体电阻3被布置在悬空薄膜2区域中间上面，测量加热电阻温度的测温电阻4围绕加热电阻3，补偿电桥平衡的电阻5围绕测量加热电阻温度的测温电阻4，四个测量气体温度的电阻6－9对称布置在所述加热电阻4的两侧，位于补偿电桥平衡的电阻5外；测量环境气体温度的电阻10被布置在氮化硅绝缘层2非悬空薄膜区域上，并尽量远离加热气体的电阻3。加热电阻3的阻值为100欧姆，测量加热电阻温度的测温电阻4的阻值为900欧姆，四个测量气体温度的电阻6-9的阻值均为1500欧姆，测量环境气体温度的电阻10的阻值为1600欧姆。
另外，补偿电桥平衡的电阻5的阻值为400欧姆，补偿电桥平衡的电阻5是分段可调的，是先测量四个测量气体温度电阻6、7、8、9所构成的电桥中桥路电阻误差，再根据该桥路电阻误差通过调整中间焊盘5(a)－5(h)从而选取适合的分段补偿电桥平衡电阻。将选取的分段的补偿电桥平衡电阻如5(a)+5(b)或者5(b)+5(a)+5(g)段串联到桥路中，则可以补偿桥路电阻误差，使得电桥零点漂移降低。
另一方面，测量加热电阻的电阻4测得的加热电阻温度值与测量环境气体电阻10测得的环境气体温度值两者形成差分信号来反馈控制加热气体电阻3功率，使得电桥测量的气体流量值不受环境气体温度变化的影响。
以上实施例中，所述Cr层为Cr材料，或者还包含Ni、Ti、TiW、TiN中的任意一种。
通过将补偿电桥平衡的电阻设计成分段可调的，先测量四个测量气体温度电阻所构成的电桥中桥路电阻误差，将选取合适的分段的补偿电桥平衡电阻串联到桥路中来补偿桥路电阻误差，使得电桥零点漂移降低。另外，通过将所述加热电阻温度值与环境气体温度值两者形成差分信号来反馈控制加热气体电阻功率，使得电桥测量的气体流量值不受环境气体温度变化的影响，进一步提高了测量的精确性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种热膜式流量传感芯片，其特征在于，自下而上依次包括基底硅层、氮化硅绝缘层和金属电阻层；
所述氮化硅绝缘层为低应力氮化硅绝缘层，直接沉积在所述基底硅层上；
所述基底硅层位于所述氮化硅绝缘层中间区域下方的区域被刻蚀，使所述氮化硅绝缘层中间区域形成悬空结构；
所述金属电阻层包括一个用于加热气体的加热电阻，一个测量所述加热电阻温度的测温电阻，四个测量气体温度的电阻，一个补偿电桥平衡的电阻和一个测量环境气体温度的电阻。
2.如权利要求1所述热膜式流量传感芯片，所述测量环境气体温度的电阻位于所述氮化硅绝缘层非悬空结构的上方；
所述加热电阻、测量所述加热电阻温度的测温电阻、测量气体温度的电阻和补偿电桥平衡的电阻均设置在所述氮化硅绝缘层悬空结构的上方，从而避免所述基底硅层传热的影响；所述加热电阻位于所述氮化硅绝缘层悬空结构中间区域的上方，所述测量加热电阻温度的测温电阻围绕所述加热电阻，所述补偿电桥平衡的电阻围绕所述测量加热电阻温度的测温电阻，所述四个测量气体温度的电阻对称布置在所述加热电阻的两侧。
3.如权利要求1所述热膜式流量传感芯片，所述补偿电桥平衡的电阻为分段可调的，是根据所述四个测量气体温度的电阻所构成的电桥中桥路电阻误差调整后得到的。
4.如权利要求1所述热膜式流量传感芯片，所述测量加热电阻温度的测温电阻测得的加热电阻温度值与所述测量环境气体温度的电阻测得的环境气体温度值两者形成差分信号，用于反馈控制所述加热电阻的电阻功率。
5.如权利要求1所述热膜式流量传感芯片，所述氮化硅绝缘层的厚度为300纳米至2000纳米。
6.如权利要求1所述热膜式流量传感芯片，所述金属电阻层为折线形，横截面为矩形。
7.如权利要求1所述热膜式流量传感芯片，所述金属电阻层自下而上依次包括Cr层和Pt层；所述Cr层厚度为10纳米至100纳米；Pt层厚度为50纳米至200纳米。
8.如权利要求1所述热膜式流量传感芯片，所述加热电阻的阻值为30-100欧姆，所述测量加热电阻温度的测温电阻的阻值为300-900欧姆，所述补偿电桥平衡的电阻的阻值为30-400欧姆，所述四个测量气体温度的电阻的阻值均为600-1500欧姆，所述测量环境气体温度的电阻的阻值为1000-1600欧姆。
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|---|---|---|---|---|
| CN107796456A (zh) * | 2017-10-16 | 2018-03-13 | 东南大学 | 一种基于双检测模式的宽量程流量传感器及测量方法 |
| CN109211342A (zh) * | 2018-09-05 | 2019-01-15 | 武汉四方光电科技有限公司 | 一种气流流量计、mems硅基温敏芯片及其制备方法 |
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