CN204831421U - 一种热式气体流量传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及气体传感器技术领域，特别涉及一种热式气体流量传感器，通过在铝基底上进行阳极氧化处理，形成多孔阳极氧化铝结构，代替现有的基于MEMS技术的热式气体质量流量传感器所采用的腔室工艺的硅衬底，微观多孔结构的阳极氧化铝具有较低的导热系数和较高的机械性能，可以在实现隔热性的同时具备抗振动的性能，在恶劣工况下工作仍然能够稳定的对气体流量进行测量，阳极氧化铝的微观多孔结构对气流的强度、方向和温度都有极强的适应性，因而本实用新型提供了一种高响应性、高精度且高稳定性的热式气体传感器。另外，通过在阳极氧化铝层上通过沉积刻蚀的方式形成所需的加热和采集电极能够实现驱动电路的简化，能够提高可靠性。

Description

一种热式气体流量传感器

技术领域

本实用新型涉及气体传感器技术领域，特别涉及一种热式气体流量传感器。

背景技术

热流量传感器指的是任何测量传感器本体与传感器位于其中的流体介质之间的热交换的传感器。这些热流量传感器例如是气体传感器或压力传感器。热式气体传感器用于使用气体的热传导的变化进行气体分析，利用暴露在气体中的发热体的散热量测量气体的热传导的变化。

热式气体传感器在各种技术领域中得到使用，在汽车用的内燃机等中，为了实现低油耗，需要高精度地测量吸入空气的流量、温度、压力和湿度等环境状态。另外，上述传感器还用于在以氢气作为燃料的汽车用的内燃机中通过检测氢气浓度使内燃机以最佳方式运行。

现有的基于MEMS技术的热式气体质量流量传感器的采用腔室工艺的衬底，其工艺复杂，成本较高，且抗振动和隔热性不能兼容。

实用新型内容

基于上述情况，有必要提供了一种热式气体流量传感器。

一种热式气体流量传感器，包括铝基底、设置在铝基底上的多孔阳极氧化铝层、沉积在阳极氧化铝层之上的第一绝缘层、设置在第一绝缘层上的多晶硅层、沉积在多晶硅层之上的第二绝缘层、设置在第二绝缘层上的金属层以及覆盖在金属层之上的保护层；

其中，所述多晶硅层、第二绝缘层和金属层共同顺次构成环境温度测量电极、上游温度测量电极、加热电极和下游温度测量电极；所述第二绝缘层上设有第一通孔和第二通孔，其中上游温度测量电极和下游温度测量电极为热电堆，该热电堆由多个热电偶串接形成，所述热电偶为经过刻蚀的多晶硅层通过第一通孔与金属层连接而成；所述金属层经过刻蚀形成引脚，所述环境温度测量电极、上游温度测量电极、加热电极和下游温度测量电极分别通过第二通孔与对应的引脚连接。

具体的，所述保护层设置在热式气体流量传感器中间，覆盖所述环境温度测量电极、上游温度测量电极、加热电极和下游温度测量电极对应的金属层上并露出各电极对应的引脚。

具体的，在所述第一绝缘层上设置的是金属层，在所述第二绝缘层上设置的是多晶硅层。

进一步的，所述多孔阳极氧化铝层的孔径为0.03-0.4um，孔间距0.065-0.45um，孔深为0.025-0.1um。

进一步的，所述第一绝缘层和第二绝缘层均为氧化硅层。

具体的，所述第一绝缘层沉积厚度为0.8-1.2um。

具体的，所述多晶硅层的沉积厚度为0.4-0.5um。

具体的，所述第二绝缘层沉积厚度为0.2-0.3um。

具体的，所述金属层的沉积厚度为0.6-1um。

本实用新型一种热式气体流量传感器根据本实用新型，通过在铝基底上进行阳极氧化处理，形成多孔阳极氧化铝结构，取代现有的基于MEMS技术的热式气体质量流量传感器所采用的腔室工艺的硅衬底，微观多孔结构的阳极氧化铝具有较低的导热系数和较高的机械性能，可以在实现隔热性的同时具备抗振动的性能，在恶劣工况下工作仍然能够稳定的对气体流量进行测量，阳极氧化铝的微观多孔结构对气流的强度、方向和温度都有极强的适应性，因而本发明提供了一种高响应性、高精度且高稳定性的热式气体传感器。另外，通过在阳极氧化铝层上通过沉积刻蚀的方式形成所需的加热和采集电极能够实现驱动电路的简化，能够提高可靠性。

附图说明

图1为本实用新型一种热式气体流量传感器的铝基底示意图；

图2为本实用新型一种热式气体流量传感器的多孔阳极氧化铝层示意图；

图3为本实用新型一种热式气体流量传感器的第一绝缘层示意图；

图4为本实用新型一种热式气体流量传感器的多晶硅层俯视示意图；

图5为本实用新型一种热式气体流量传感器的多晶硅层剖视示意图；

图6为本实用新型一种热式气体流量传感器的第二绝缘层俯视示意图；

图7为本实用新型一种热式气体流量传感器的第二绝缘层剖视示意图；

图8为本实用新型一种热式气体流量传感器的金属层俯视示意图；

图9为本实用新型一种热式气体流量传感器的金属层剖视示意图；

图10为本实用新型一种热式气体流量传感器的保护层俯视示意图；

图11为本实用新型一种热式气体流量传感器的保护层剖视示意图；

图12为本实用新型一种热式气体流量传感器的使用状态示意图。

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晰，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。

如图10-11所示，本实用新型一种热式气体流量传感器，包括铝基底10，在本实施案例中金属铝衬底10可选取4至12英寸的金属铝衬底，以6英寸圆形为最优，双面抛光或仅单面抛光，厚度为300-1000um，以500um为最优。

还包括设置在铝基底上的多孔阳极氧化铝层11a和11b；将金属铝衬底清洗干净后进行阳极氧化处理。处理成孔径为0.03-0.4um，孔间距0.065-0.45um，孔深为0.025-0.1um的微观多孔结构。

进一步还包括沉积在阳极氧化铝层之上的第一绝缘层12a和12b，本实施例中采用LPCVD(Lowpressurechemicalvapordeposition，低压化学气相沉积法)于微观多孔结构的金属铝衬底上下各沉积一层0.8-1.2um的氧化硅层作为第一绝缘层。在进行多孔阳极氧化铝层氧化处理和沉积第一绝缘层时，金属铝衬底的两侧都会进行同样的处理，因此处理结果也是一样，然而本实施例只需要利用一侧，所以可以将不用的一侧去除，即12a和12b以及11a和11b只需要保留其中一个，在本实施例中采用的是11a、12a；当然也可以保留并不会影响本实施例的实施。

还包括，设置在第一绝缘层上的多晶硅层，在本实施例此步骤中，采用LPCVD法在氧化硅层12a上沉积0.4-0.5um的多晶硅层，同时离子注入浓度比例为1％～3％的磷来增强导电性能，然后经过正胶甩胶，前烘光刻显影后，后烘工艺后进行反应离子刻蚀，对多晶硅离子层刻蚀出图形后去胶成型所述的各电极，所述电极包括沿气流通过方向的环境温度测量电极16a和13a、上游温度测量电极17a和14a、加热电极16b和13b和下游温度测量电极17b和14b。为了测量更为准确和稳定，上述加热电极和测量电极均采用成对设置。

进一步还包括沉积在多晶硅层之上的第二绝缘层15，在此步骤中，采用LPCVD法沉积一层0.2-0.3um的氧化硅层，后经过正胶甩胶，前烘光刻显影后，后烘工艺后进行反应离子刻蚀，对氧化硅层刻蚀出图形后去胶成型第二绝缘层15。

还包括，设置在第二绝缘层上的金属层，在本实施例中，采用蒸发镀膜的方法沉积一层0.6-1um的金属铝层。然后经过正胶甩胶，前烘光刻显影后，后烘工艺后进行反应离子刻蚀，对金属层刻蚀出图形后去胶成型所述的金属层

以及还包括金属层之上的保护层18，采用LPCVD的方法沉积一层化学计量稳定的Si3N4保护层。然后经过正胶甩胶，前烘光刻显影后，后烘工艺后进行反应离子刻蚀，对氧化硅层刻蚀出图形后去胶成型所述的保护层18。

其中，所述多晶硅层通过刻蚀形成沿气流通过方向的环境温度测量电极16a和13a、上游温度测量电极17a和14a、加热电极16b和13b和下游温度测量电极17b和14b；所述金属层通过刻蚀形成与多晶硅层匹配设置的引脚，通过在第二绝缘层设置第一通孔，将环境温度测量电极16a和13a、上游温度测量电极17a和14a、加热电极16b和13b和下游温度测量电极17b和14b与金属层对应的引脚连接；其中上游温度测量电极和下游温度测量电极与金属层通过第二通孔连接分别形成热电堆。

具体的，所述保护层设置在热式气体流量传感器中间，覆盖所述环境温度测量电极、上游温度测量电极、加热电极和下游温度测量电极对应的金属层上并露出各电极对应的引脚。

本实用新型还提供一种热式气体流量传感器的制造方法，如图1-11所示，包括如下步骤：

a、如图1所示对铝衬底进行抛光处理并洗净；金属铝衬底10可选取4至12英寸的金属铝衬底，以6寸圆形为最优，双面抛光或仅单面抛光，厚度为300-1000um，以500um为最优。

b、如图2所示将铝衬底进行阳极氧化处理，在表面形成多孔阳极氧化铝层，形成的多孔阳极氧化铝层的孔径为0.03-0.4um，孔间距0.065-0.45um，孔深为0.025-0.1um。

c、如图3所示在多孔阳极氧化铝层上通过低压化学气相沉积法沉积第一绝缘层，第一绝缘层沉积厚度为0.8-1.2um，优选1um。

d、如图4-5所示，在第一绝缘层上通过低压化学气相沉积法沉积多晶硅层，同时离子注入浓度比例为1％～3％的磷来增强导电性能，经过正胶甩胶、前烘光刻显影、后烘工艺后进行反应离子刻蚀，对多晶硅离子层刻蚀出图形后去胶成型形成沿气流通过方向的环境温度测量电极16a和13a、上游温度测量电极17a和14a、加热电极16b和13b和下游温度测量电极17b和14b；多晶硅层的沉积厚度为0.4-0.5um，优选为0.45um。

e、在多晶硅层上通过低压化学气相沉积法沉积氧化硅，经过正胶甩胶、前烘光刻显影、后烘工艺后进行反应离子刻蚀，对多晶硅离子层刻蚀出图形后去胶成型形成第二绝缘层，其中第二绝缘层设置了第一通孔和第二通孔；第二绝缘层沉积厚度为0.2-0.3um，优选0.25um。

f、在第二绝缘层上采用蒸发镀膜的方法沉积金属层，然后经过正胶甩胶，前烘光刻显影后，后烘工艺后进行反应离子刻蚀，对金属层刻蚀出图形后去胶成型，一部分形成步骤d所述电极的引脚，所述引脚通过第一通孔与步骤d所述电极连接；另一部分形成通过第二通孔分别与上游温度测量电极和下游温度测量电极连接形成热电堆；金属层的沉积厚度为0.6-1um，本实施例中优选0.85um。

g、在金属层上通过低压化学气相沉积法沉积Si3N4，如图10-11所示，然后经过正胶甩胶，前烘光刻显影后，后烘工艺后进行反应离子刻蚀，对金属层刻蚀出图形后去胶成型形成所述的保护层。

通过在铝基底上进行阳极氧化处理，形成多孔阳极氧化铝结构，取代现有的基于MEMS技术的热式气体质量流量传感器所采用的腔室工艺的硅衬底，微观多孔结构的阳极氧化铝具有较低的导热系数和较高的机械性能，可以在实现隔热性的同时具备抗振动的性能，在恶劣工况下工作仍然能够稳定的对气体流量进行测量，阳极氧化铝的微观多孔结构对气流的强度、方向和温度都有极强的适应性，因而本发明提供了一种高响应性、高精度且高稳定性的热式气体传感器。另外，通过在阳极氧化铝层上通过沉积刻蚀的方式形成所需的加热和采集电极能够实现驱动电路的简化，能够提高可靠性。

如图12所示，气流从左至右通过本发明的热式气体流量传感器，在本发明的最左端设置了环境温度测量电极，用于测量环境温度；接下来顺次设置了上游温度测量电极、加热电极和下游温度测量电极，其中加热电极发热对周围空气进行加热，其中上游温度测量电极测量加热电极上游的温度，下游温度测量电极测量加热电极下游的温度，将采集的上下游温度进行对比分析，即可得到气体的流动速度，进而计算出气体流量。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种热式气体流量传感器，其特征在于，包括铝衬底、设置在铝衬底上的多孔阳极氧化铝层、沉积在阳极氧化铝层之上的第一绝缘层、设置在第一绝缘层上的多晶硅层、沉积在多晶硅层之上的第二绝缘层、设置在第二绝缘层上的金属层以及覆盖在金属层之上的保护层；

其中，所述多晶硅层、第二绝缘层和金属层共同顺次构成环境温度测量电极、上游温度测量电极、加热电极和下游温度测量电极；所述第二绝缘层上设有第一通孔和第二通孔，其中上游温度测量电极和下游温度测量电极为热电堆，该热电堆由多个热电偶串接形成，所述热电偶为经过刻蚀的多晶硅层通过第一通孔与金属层连接而成；所述金属层经过刻蚀形成引脚，所述环境温度测量电极、上游温度测量电极、加热电极和下游温度测量电极分别通过第二通孔与对应的引脚连接。

2.如权利要求1所述的热式气体流量传感器，其特征在于，所述保护层设置在热式气体流量传感器中间，覆盖所述环境温度测量电极、上游温度测量电极、加热电极和下游温度测量电极对应的金属层上并露出各电极对应的引脚。

3.如权利要求2所述的热式气体流量传感器，其特征在于，在所述第一绝缘层上设置的是金属层，在所述第二绝缘层上设置的是多晶硅层。

4.如权利要求1所述的热式气体流量传感器，其特征在于，所述多孔阳极氧化铝层的孔径为0.03-0.4um，孔间距0.065-0.45um，孔深为0.025-0.1um。

5.如权利要求1所述的热式气体流量传感器，其特征在于，所述第一绝缘层和第二绝缘层均为氧化硅层。

6.如权利要求5所述的热式气体流量传感器，其特征在于，所述第一绝缘层沉积厚度为0.8-1.2um。

7.如权利要求6所述的热式气体流量传感器，其特征在于，所述步骤d中多晶硅层的沉积厚度为0.4-0.5um。

8.如权利要求7所述的热式气体流量传感器，其特征在于，所述第二绝缘层沉积厚度为0.2-0.3um。

9.如权利要求8所述的热式气体流量传感器，其特征在于，所述金属层的沉积厚度为0.6-1um。