CN206410747U - 微机电质量流量传感器组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供微机电质量流量传感器组件。所述微机电质量流量传感器组件包括：传感器芯片和载体，所述传感器芯片包括：基底；设置在所述基底的第一表面的支撑膜和热敏电阻；设置在所述支撑膜上的至少两个感应元件及加热器；设置在所述基底一端由所述第一表面贯穿至相对的第二表面的通孔，所述通孔的填充物的一侧设置有传感器芯片的背面触点；覆盖在所述感应元件、加热器及热敏电阻上使所述感应元件、加热器及热敏电阻连接至所述通孔的填充物的导电层；覆盖在所述传感器芯片上表面的钝化层；以及，所述载体通过焊盘与传感器芯片的所述背面触点连接。

Description

微机电质量流量传感器组件

技术领域

本实用新型涉及微机电传感器领域，具体而言，涉及一种微机电质量流量传感器组件。

背景技术

微机电质量流量传感器用于气体的检测。现有技术中的微机电质量流量传感器中的各个部件通过导线连接在一起，有些微机电质量流量传感器的导线直接暴露在气体介质中，而待测试的气体可能含有的水分、其他导电的薄雾、颗粒等会引起导线短路。现有技术中的另一些微机电质量流量传感器是对导线接口处进行密封，但是导线焊接时的虚焊、密封材料的应力释放以及密封出现泄漏均会降低装置的可靠性。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例的目的在于提供一种微机电质量流量传感器组件。

本实用新型实施例提供一种微机电质量流量传感器组件，所述微机电质量流量传感器组件包括：传感器芯片及载体；

所述传感器芯片包括：

基底；

设置在所述基底的第一表面的支撑膜和热敏电阻；

设置在所述支撑膜上的至少两个感应元件及加热器；

设置在所述基底一端由所述第一表面贯穿至相对的第二表面的通孔，所述通孔的填充物的一侧设置有传感器芯片的背面触点；

覆盖在所述感应元件、加热器及热敏电阻上使所述感应元件、加热器及热敏电阻连接至所述通孔的填充物的导电层；

覆盖在所述传感器芯片上表面的钝化层；以及

所述载体通过焊盘与传感器芯片的所述背面触点连接。

优选地，所述传感器的基底的第一表面及第二表面设置有基底钝化层，所述基底钝化层的厚度为100纳米至300纳米。

优选地，所述基底的第一表面的基底钝化层上设置有热敏电阻，所述热敏电阻与所述导电层相连。

优选地，所述感应元件及加热器为热敏电阻，所述感应元件及加热器对应的热敏电阻与所述设置在基底钝化层上的热敏电阻的厚度为100纳米至300纳米。

优选地，所述基底设置有由所述第二表面向第一表面延伸的空腔及将所述空腔与外界连通的空槽，所述空槽设置在所述感应元件所在一侧。

优选地，所述空腔设置在所述感应元件及加热器的正对位置，所述空腔的宽度大于感应元件和加热器占有的总宽度，小于所述感应元件和加热器占有的总宽度的1.5倍。

优选地，所述微机电质量流量传感器组件的封装尺寸为1.5×1.5毫米至2×2毫米。

优选地，所述微机电质量流量传感器组件还包括：用于密封所述传感器芯片与载体的连接处的密封物。

优选地，所述载体上还设置有控制电路。

与现有技术相比，本实用新型的微机电质量流量传感器组件，通过实现所述导电层、所述通孔、所述填充物、所述背面触点，消除了导线焊接的相关配置，从而有效避免由导线故障引起的短路、不稳定等问题。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本实用新型较佳实施例提供的微机电质量流量传感器组件的结构示意图。

图2-图11为制造所述微机电质量流量传感器组件各步骤对应的结构示意图。

图12为本实用新型较佳实施例提供的微机电质量流量传感器组件制作方法的流程图。

图标：100-基底；200-填充物；210-导电层；110-基底钝化层；111-基底钝化层；120-支撑膜；130-钝化层；140-空槽；141-空槽；150-空腔；310-热敏电阻；311-感应元件；312-加热器；313-感应元件；400-载体；410-控制电路；420-绝缘层；430-焊盘；401-通孔；500-密封物。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相同的标号在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

第一实施例

如图1所示，图1为本实用新型较佳实施例提供的微机电质量流量传感器组件的结构示意图。本实施例的微机电质量流量传感器组件包括：传感器芯片及载体400。

本实施例中，所述基底100的材质可以是硅。在一种实施方式中，所述基底100是导电的，即在硅基底中掺杂了其它材料，例如，磷或硼等，其中，优选掺杂物质为硼。在另一种实施方式中，所述基底100为非导电的，如不掺杂其它材料的硅基底。

本实施例中，所述基底100包括第一表面及相对于该第一表面设置的第二表面。如图2所示，所述基底100的第一表面及第二表面分别设置有基底钝化层110、111。

在一种实施方式中，当基底100的材质为硅时，可在第一表面及第二表面通过低压化学气相沉积氮化硅来进行钝化处理，生成所述基底钝化层110、111。进一步地，所述基底钝化层110、111的厚度可以在100纳米至300纳米之间。优选地，所述基底钝化层110、111的厚度设置为200纳米。

本实施例中，所述基底100的一端开设有贯穿所述基底100的通孔401(如图3所示)，用于添加填充物200。本实用新型实施例中可以通过以下几种工艺制作所述通孔401：可以直接由所述第一表面向第二表面打通所述基底100形成贯穿的通孔；还可以先由所述第一表面向第二表面打通所述基底100的一半，然后再通过化学机械平面化将所述通孔内余下的基底部分去除。进一步地，所述通孔401的宽度可以在50纳米至2000纳米之间，优选地，所述通孔401的宽度为1000纳米。

在一种实施方式中，所述基底100为非导电的，所述通孔401内添加的填充物200为导电材料。所述导电材料可以是镍及铁镍合金等金属、高度掺杂的导电的多晶硅、聚芘及聚咔唑等导电的聚合物。在另一种实施方式中，所述基底100为高度导电的，所述通孔401应开为环状的槽而其内添加的填充物200为绝缘材料。所述绝缘材料可以是氧化硅或非导电的聚合物如聚酰亚胺。该绝缘环的宽度优选在100纳米至500纳米之间，但最优选是300纳米。

进一步地，在所述基底100的第一表面上设置有支撑膜120。所述支撑膜120用于隔热。所述支撑膜120的材料应在内在应力小的同时具有足够的机械强度。所述支撑膜120的材料可以是氮化硅，也可以是聚酰亚胺。优选地，所述支撑膜120可以采用厚度在1000纳米至10000纳米之间的聚酰亚胺。进一步地，所述支撑膜120的厚度优选是3000纳米。在一种实施方式中，所述支撑膜120的材料是氮化硅时，可采用低压化学气相沉积制作氮化硅支撑膜。在另一种实施方式中，所述支撑膜120的材料为聚酰亚胺时，可以通过旋涂法制成聚酰亚胺支撑膜。

所述支撑膜120被刻蚀成独特的形状以放置感应元件及加热器。在一种实施方式中，可通过干法刻蚀或其他可行技术如湿法刻蚀来处理所述支撑膜120。所述支撑膜120上设置有至少两个感应元件(图7中示出的两个感应元件311、313)及加热器312。

进一步地，所述加热器312设置在所述两个感应元件311、313之间。在一个实例中，使用所述微机电质量流量传感器组件进行气体测量，气体由所述微机电质量流量传感器组件的一端流向另一端时(如由感应元件311一端流向感应元件313一端)，所述感应元件311检测所述气体加热前的温度，所述加热器312对流经的所述气体进行加热，所述感应元件313对加热后的气体进行温度检测。通过感应元件311、313检测到的气体温度差异，就可以计算出流经的气体的质量流量。

所述感应元件311、313及加热器312为热敏电阻。所述热敏电阻的材质优选为温度系数高的材料(如铂、金、镍、坡莫合金和掺杂的导电多晶硅)，通过电子束蒸发或物理气相沉积制成。进一步地，每个所述热敏电阻的厚度可以在100纳米至300纳米之间，优选地，所述热敏电阻的厚度是200纳米。

进一步地，请参阅图7，所述基底钝化层110上还设置有一个单独的热敏电阻310。所述热敏电阻310用于测量环境温度并将所述环境温度反馈给加热器312去调节加热程度，以建立一个稳定的温度场。进一步地，所述热敏电阻310的材质也优选为温度系数高的材料(如铂、金、镍、坡莫合金和掺杂的导电多晶硅)，通过电子束蒸发或物理气相沉积制成。

本实施例中，在所述两个感应元件311和313、加热器312及热敏电阻310上还覆盖有使所述两个感应元件311和313、加热器312及热敏电阻310分别连接至所述填充物200的导电层210。其中所述加热器312及热敏电阻310分别与所述填充物200形成单独的导电回路(图中未示出覆盖在所述加热器312和热敏电阻310上的导电层210)。在一种实施方式中，所述基底100为非导电，所述通孔401内添加的填充物200为导电材料时，所述导电层210将感应元件311和313、加热器312及热敏电阻310分别连接至所述填充物200处形成导电通路。在一个实例中，在生成所述导电层210的工序之前，应先使穿透基底100的导电材料的两端金属化以确保所述导电材料与所述导电层210良好的连接。在另一种实施方式中，所述基底100为高度导电，所述通孔401为环状的槽，其内添加的填充物200为绝缘材料时，所述导电层210覆盖至被通孔环401环绕的所述基底100上，使所述感应元件311和313、加热器312及热敏电阻310连接至被通孔环401环绕的所述基底100上形成导电通路。

所述导电层210使两个感应元件311、313连接至所述填充物200，使所述两个感应元件311、313形成并联回路。所述导电层210使所述加热器312连接至所述填充物200形成独立于感应元件的回路。进一步地，可以在所述基底100上设置多个被所述填充物200填充的通孔(图中仅示出一个)。

所述导电层210可以由金或掺杂的导电多晶硅通过电子束蒸发或物理气相沉积制成。所述导电层210的厚度可以在100纳米至300纳米之间，优选的实例中所述导电层210的厚度是200纳米。

所述传感器芯片的上表面还设置有钝化层130。优选地，所述钝化层130应完全覆盖所述传感器芯片上表面。所述钝化层130的材料可以是导热的。优选地，所述钝化层130的材料是通过等离子体增强化学气相沉积的氮化硅或碳化硅。本实施例中，所述钝化层130的厚度在100纳米至500纳米之间，在一个优选的实例中所述钝化层130的厚度为300纳米。通过在所述传感器芯片的上表面设置钝化层130可防止微机电质量流量传感器受到感应元件311和313、加热器312、热敏电阻310及导电层210之间的表面短路的影响而损坏。

另外，所述基底100还设置有从所述第二表面向第一表面延伸的空腔150及将所述空腔150在竖直方向上与外界连通的空槽140及141。所述空槽140及141设置在所述感应元件311及313所在一侧，并贯通所述支撑膜120以及基底钝化层110。在一个实例中，所述空槽140及141可以使用干法刻蚀制成。所述空槽140及141可以是穿透所述支撑膜120和基底钝化层110的任意形状的孔，优选为矩形或圆形的孔。通过所述空槽140及141可以使流体介质迅速地填充底下的空腔150，从而使支撑膜120上方和基底钝化层110下方的压力相等，以确保微机电质量流量传感器测量时支撑膜120及基底钝化层110不会变形，从而减小微机电质量流量传感器的测量误差。另外，将所述空槽140及141设置在所述加热器312的周围，测量时加热器312产生的温度场将会被隔离，便能获得更好的测量分辨率和/或灵敏度。

进一步地，所述空腔150处于感应元件311、313和加热器312的正下方。使用所述微机电质量流量传感器组件测量气体时，所述气体通过所述空槽140及141填充所述空腔150，基底100内部的气体与外部环境中的气体相同，实现基底100的内部与外部的压力相近。所述空腔150通过被流体介质(单一或混合气体)填充来提供热隔离，并可以确保所述微机电质量流量传感器组件的灵敏度和分辨率。所述空腔150可通过对基底100进行深反应离子刻蚀或者使用氢氧化钾、四甲基氢氧化铵等化学剂进行湿法化学刻蚀来做出。

优选地，所述空腔150的宽度大于所述感应元件311、313和加热器312占有的总宽度，且不大于所述感应元件311、313和加热器312占有的总宽度的1.5倍。

在其他实施方式中，本领域的技术人员也可以设置更多的热敏电阻。本实施例中，所述微机电质量流量传感器组件测量时只需要用到最小数目的4个热敏电阻311、313、312及310，那么微机电质量流量传感器组件的封装尺寸可以是1.5×1.5毫米；其中如果所述微机电质量流量传感器组件需要用到7个热敏电阻的话，那么所述微机电质量流量传感器组件封装尺寸可以扩展到2×2毫米。

本实施例中，所述载体400的材质可以是氮化硅等陶瓷或传统的印刷电路板材料，如层压板、B阶树脂浸渍布或其他铜基材料。所述载体400的厚度应根据不同应用而不同，本领域的技术人员可以根据需求设定。

进一步地，所述载体400可以包括设置在所述载体400上的控制电路410。所述控制电路410可以是表面镀金的铜基材料。该控制电路410根据不同应用的需要，可以通过简单的连接线与载体连接，或直接以带有预设计的控制电子元件的载体作为控制电路410。所述载体400的表面设置有绝缘层420。所述绝缘层420可用于预防任何可能出现的接触短路。

如图11所示，图11为本实用新型较佳实施例提供的微机电质量流量传感器组件的传感器芯片与载体400连接之前的状态示意图。所述载体400的上表面设置有焊盘430。在一种实施方式中，所述填充物200为导电材料时，所述导电材料下的远离所述第一表面的一侧设置有背面触点。进一步地，所述背面触点应当用金或铝处理使其金属化，优选用金。所述载体400通过所述焊盘430与所述背面触点的直接焊接来与所述传感器芯片连接。

进一步地，请再次参阅图1，所述微机电质量流量传感器组件还包括设置在所述传感器芯片与载体400的连接处的密封物500。所述密封物500可以是环氧基树脂或类似的材料。该密封物500应能预防因漏电(如有水蒸气存在时)而引起的接触短路或故障对传感器组件造成的损坏。通过在所述传感器芯片与载体400的连接处设置密封物500，使所述微机电质量流量传感器组件在有水蒸气或导电流体介质存在等不同环境下也能实现测量。

根据上述实施例中的微机电质量流量传感器组件，通过设置所述导电层、所述通孔、所述填充物及所述背面触点，来消除导线焊接的相关配置，从而有效避免由导线故障引起的短路、不稳定等问题。

第二实施例

本实用新型实施例提供一种微机电质量流量传感器组件制作方法。本实施例中的方法用于制作上述实施例提供的微机电质量流量传感器组件。如图12所示，所述方法包括以下步骤：

S101，提供一基底100，在所述基底100上形成贯穿该基底的通孔401。

具体，在所述基底100相对的第一表面和第二表面分别设置基底钝化层110、111，如图2所示。在所述基底100上开设由所述第一表面向所述第二表面贯穿的通孔401，如图3所示。

S102，在所述通孔401内填充填充物，如图4所示。

本实施例中，所述填充物可以是导电材料，也可以是非导电材料。

S103，在所述基底100的第一表面制成支撑膜120，如图5所示。

S104，从所述支撑膜120远离基底100的一侧刻蚀出深至所述基底钝化层110近基底100一侧的空槽140、141，并刻蚀掉所述支撑膜120多余的部分，如图6所示。

S105，将两个感应元件311、313及加热器312分别制作在所述支撑膜120上，将一个单独的热敏电阻310制作在所述基底钝化层110的表面上，如图7所示。

在其他实施例中，也可以设置多个感应元件。本实施例以两个为例进行描述。

S106，形成覆盖于所述感应元件311和313、加热器312及热敏电阻310并延伸至所述通孔401的位置与所述填充物接触的导电层210，如图8所示。

当所述填充物为导电材料时，通过所述导电层210使所述两个感应元件311和313、加热器312及热敏电阻310分别与所述导电材料连接，形成多个导电通路。

S107，在所述导电层210、两个感应元件311和313、加热器312及热敏电阻310所在一侧覆盖一钝化层130，如图9所示。

S108，在所述基底100制作由所述第二表面向第一表面延伸的空腔150，所述空腔150与所述空槽140及141连通并位于感应元件311、313和加热器312下方，如图10所示。

详细地，由于所述空腔150跨度较大，所述基底钝化层110、支撑膜120、感应元件311和313、加热器312及钝化层130的材料必须在机械强度高的同时内在应力最小，以防止所述基底钝化层110、支撑膜120、感应元件311和313、加热器312及钝化层130在所述空腔150形成后塌陷。

S109，将一载体通过焊盘430与设置在所述通孔401的填充物一侧的传感器芯片的背面触点直接焊接在一起，如图11所示。

关于本实施例中的微机电质量流量传感器组件的制作形成方式的描述可进一步地参考第一实施例结合图1的描述，在此不再赘述。

根据上述微机电质量流量传感器组件制作方法制作的微机电质量流量传感器组件，通过设置所述导电层、所述通孔、所述填充物及所述背面触点，来消除导线焊接的相关配置，从而有效避免由导线故障引起的短路、不稳定等问题。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。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、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。应注意到：相同的标号在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种微机电质量流量传感器组件，其特征在于，所述微机电质量流量传感器组件包括：传感器芯片及载体；

所述传感器芯片包括：

基底；

设置在所述基底的第一表面的支撑膜和热敏电阻；

设置在所述支撑膜上的至少两个感应元件及加热器；

设置在所述基底一端由所述第一表面贯穿至相对的第二表面的通孔，所述通孔的填充物的一侧设置有传感器芯片的背面触点；

覆盖在所述感应元件、加热器及热敏电阻上使所述感应元件、加热器及热敏电阻连接至所述通孔的填充物的导电层；

覆盖在所述传感器芯片上表面的钝化层；以及

所述载体通过焊盘与传感器芯片的所述背面触点连接。

2.如权利要求1所述的微机电质量流量传感器组件，其特征在于，所述传感器的基底的第一表面及第二表面设置有基底钝化层，所述基底钝化层的厚度为100纳米至300纳米。

3.如权利要求2所述的微机电质量流量传感器组件，其特征在于，所述基底的第一表面的基底钝化层上设置有热敏电阻，所述热敏电阻与所述导电层相连。

4.如权利要求3所述的微机电质量流量传感器组件，其特征在于，所述感应元件及加热器为热敏电阻，所述感应元件及加热器对应的热敏电阻与设置在基底钝化层上的热敏电阻的厚度为100纳米至300纳米。

5.如权利要求1所述的微机电质量流量传感器组件，其特征在于，所述基底设置有由所述第二表面向第一表面延伸的空腔及将所述空腔与外界连通的空槽，所述空槽设置在所述感应元件所在一侧。

6.如权利要求5所述的微机电质量流量传感器组件，其特征在于，所述空腔设置在所述感应元件及加热器的正对位置，所述空腔的宽度大于感应元件和加热器占有的总宽度，小于所述感应元件和加热器占有的总宽度的1.5倍。

7.如权利要求1所述的微机电质量流量传感器组件，其特征在于，所述微机电质量流量传感器组件的封装尺寸为1.5×1.5毫米至2×2毫米。

8.如权利要求1-7任意一项所述的微机电质量流量传感器组件，其特征在于，还包括：用于密封所述传感器芯片与载体的连接处的密封物。

9.如权利要求1所述的微机电质量流量传感器组件，其特征在于，所述载体上还设置有控制电路。