CN214474641U - 一种mems质量流量控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种MEMS质量流量控制器，包括壳体以及位于壳体内部的质量流量传感器和微加热器，所述壳体包括下基板及上盖板及由二者围成的气流通道；质量流量传感器固定在下基板上，且位于靠近气流通道的入口一侧；微加热器通过导热介质固定在上盖板上，且位于靠近气流通道的出口一侧。本实用新型所公开的MEMS质量流量控制器利用质量流量传感器对气体流量进行测量并实时反馈，作为调节微加热器功率的依据，进而利用导热介质热胀冷缩引起的形变实现对微小流量的高精度控制，本实用新型具有结构简单、体积小、成本低、制备可控性强的特点。

Description

一种MEMS质量流量控制器

技术领域

本实用新型涉及流量测控技术领域，特别涉及一种MEMS质量流量控制器。

背景技术

流量测量和控制是工业生产和科学研究的基本需求。质量流量控制器作为一种能够直接对气体的质量流量进行测量和控制的器件，在半导体和集成电路、石油化工、真空镀膜、医药、环保等诸多领域发挥着重要作用。质量流量控制器的核心部件包括质量流量传感器和电磁调节阀。其中，传感器可实现对气体质量流量的精确测量，电磁调节阀则可根据测量结果对流量进行调节、控制。

目前，国内的质量流量控制器中，传感器通常利用毛细管传热温差量热法的原理，在毛细管的上下游各制作一组热敏电阻丝，并外接两个精密电阻，构成电桥结构。工作时，对电桥进行加热，若有气流通过，则会导致上下游的热敏电阻丝温度不同，电桥输出一个正比于气体质量流量的电压信号。电磁调节阀通常由许多精密机加工而成的零部件装配而成。这种控制器的制作工艺复杂，价格昂贵，控制微小流量时精度差；此外，长期使用还存在零飘和颗粒物污染的问题，维护成本高。

随着MEMS技术的快速发展，采用该技术制作的传感器和执行器因具有结构简单、体积小、成本低、精度高等诸多优点而备受关注。因此，发展一种MEMS质量流量控制器具有重要意义。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种MEMS质量流量控制器，具有结构简单、体积小、成本低、制备可控性强的特点，适合微小流量的高精度控制。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种MEMS质量流量控制器，包括壳体以及位于壳体内部的质量流量传感器和微加热器，所述壳体包括下基板及上盖板及由二者围成的气流通道；质量流量传感器固定在下基板上，且位于靠近气流通道的入口一侧；微加热器通过导热介质固定在上盖板上，且位于靠近气流通道的出口一侧。

上述方案中，所述质量流量传感器包括：

衬底一，设有沿上下向贯通的隔热腔体一；

支撑层一，形成于衬底一及隔热腔体一上；

加热元件一，形成于支撑层一的上表面，且局部位于隔热腔体一的上方；

感温元件，形成于支撑层一的上表面，两个感温元件对称分布在加热元件一的两侧，且局部位于隔热腔体一的上方；

金属层，形成于支撑层一的上表面；

绝缘层一，覆盖加热元件一、感温元件及金属层，且绝缘层一上通过局部刻蚀形成暴露出部分金属层的接触孔一。

上述方案中，所述微加热器采用MEMS工艺制作而成，具体包括：

衬底二，由衬底二上表面向内凹入形成隔热腔体二；

支撑层二，形成于衬底二及隔热腔体二上；

加热电阻二和电极，形成于支撑层二的上表面，且加热电极二位于隔热腔体二的上方；

绝缘层二，覆盖加热电阻一及电极，并局部刻蚀出接触孔二以暴露部分电极。

通过上述技术方案，本实用新型提供的MEMS质量流量控制器具有如下有益效果：

本实用新型提供的MEMS质量流量控制器采用MEMS工艺制作，具有结构简单、体积小、成本低的特点，且避免了复杂的制备工艺，可控性强；本实用新型利用MEMS质量流量传感器对气体流量进行精确测量，并将测量电压作为反馈量，用于指导调节微加热器的功率，进而利用导热介质在高温下膨胀引起的形变实现对流量的精确控制，因此，本实用新型提供的MEMS质量流量控制器稳定性高，可实现微小流量的高精度测量和控制。此外，还可通过调整导热介质的厚度来调节流量的控制范围。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本实用新型实施例所公开的一种MEMS质量流量控制器的结构示意图(初始状态)；

图2为本实用新型实施例所公开的一种MEMS质量流量控制器的结构示意图(工作状态)；

图3为本实用新型实施例所采用的质量流量传感器的剖面示意图；

图4为本实用新型实施例所采用的微加热器的剖面示意图。

图中，1、壳体；101、下基板；102、上盖板；103、气流通道；104、入口；105、出口；2、质量流量传感器；3、微加热器；4、导热介质；201、衬底一；202、支撑层一；203、加热元件一；204、感温元件；205、金属层；206、绝缘层；207、接触孔一；208、隔热腔体一；301、衬底二；302、支撑层二；303、加热元件二；304、电极；305、绝缘层二；306、接触孔二；306、隔热腔体二。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本实用新型提供了一种MEMS质量流量控制器，请参阅图1和图2，包括壳体1、质量流量传感器2、微加热器3和导热介质4；壳体1包括下基板101及上盖板102及由二者围成的气流通道103；质量流量传感器2固定在下基板101上，且位于靠近气流通道103的入口104一侧，用于气流流量的测量；微加热器3通过导热介质4固定在上盖板102上，且位于靠近气流通道103的出口105一侧，用于气流流量的控制；此外，质量流量传感器2和微加热器3还对气流通道103起到限定作用。使气流沿图示方向流动。

具体地，壳体1采用不漏气的坚硬材料，下基板101和上盖板102通过焊接、压接、紧固、卡扣等方法连接固定，气流通道103的截面形状为圆形或多边形；在本实用新型的实施例中，壳体1的材料为铝合金，下基板101和上盖板102通过紧固的方法连接固定，气流通道103的截面形状为矩形。

具体地，质量流量传感器2采用MEMS工艺制作而成，并通过粘接的方法固定在下基板101上。请参阅图3，在本实用新型的实施例中，质量流量传感器2包括：

衬底一201，设有沿上下向贯通的隔热腔体一208；

支撑层一202，形成于衬底一201及隔热腔体一208上；

加热元件一203，形成于支撑层一202的上表面，且局部位于隔热腔体一208的上方；

感温元件204，形成于支撑层一202的上表面，两个感温元件204对称分布在加热元件一203的两侧，且局部位于隔热腔体一208的上方；

金属层205，形成于支撑层一208的上表面；

绝缘层一206，覆盖加热元件一203、感温元件204及金属层205，且绝缘层一206上通过局部刻蚀形成暴露出部分金属层205的接触孔一207。

具体地，微加热器同样采用MEMS工艺制作而成，并通过导热介质4固定在上盖板102上。请参阅图4，在本实用新型的实施例中，微加热器3包括：

衬底二301，由衬底二301上表面向内凹入形成隔热腔体二307；

支撑层二302，形成于衬底二301及隔热腔体二307上；

加热电阻二303和电极304，形成于支撑层二302的上表面，且加热电极二303位于隔热腔体二307的上方；

绝缘层二305，覆盖加热电阻一303及电极304，并局部刻蚀出接触孔二306以暴露部分电极304。

衬底一201及衬底二301为常见的半导体衬底，包括但不限于硅衬底、锗衬底、SOI衬底、GeOI衬底的一种；在本实用新型的实施例中，衬底一201及衬底二301为双面抛光的单晶硅衬底。

隔热腔体一208和隔热腔体二307的截面形状包括但不限于矩形、梯形、倒梯形的一种；在本实用新型的实施例中，隔热腔体一208的截面形状为矩形，隔热腔体二306的截面形状为倒梯形。

支撑层一202、支撑层二302、绝缘层一206、绝缘层二305的材料为氧化硅、氮化硅的一种或两种组合；在本实用新型的实施例中，支撑层一202和支撑层二302均由氧化硅和氮化硅复合而成，绝缘层一206和绝缘层二305的材料均为氧化硅。

加热元件一203、加热元件二303的材料为P型多晶硅、N型多晶硅、金属的一种；在本实用新型的实施例中，加热元件一203和加热元件二303的材料均为铂。

感温元件204可为热敏电阻，也可为热电堆；其中，热敏电阻的材料为具有正/负温度系数的金属，热电堆的材料为P型多晶硅/N型多晶硅的组合，或P型多晶硅/金属的组合，或N型多晶硅/金属的组合；在本实用新型的实施例中，感温元件32采用P型多晶硅/N型多晶硅热电堆，其中，P型多晶硅和N型多晶硅之间通过部分金属层205连接。

金属层205和电极304的材料为金属钛、钨、铬、铂、铝、金中的一种或多种组合；在本实用新型的实施例中，金属层205的材料为铬/金，电极304的材料为铂。

需要说明的是，质量流量传感器2的工作原理是：加热元件一203提供一定的功率以使传感器表面温度高于环境温度，当无气体流动时，表面温度以加热元件一203为中心呈正态分布，两侧的感温元件204具有相同的电信号；当有气体流动时，气体分子转移热量使传感器表面的温度分布发生偏移，两侧的感温元件204的电信号随之产生差异，利用这种差异就可推算出气体流量。

具体地，导热介质4采用不漏气、热胀冷缩的材料，进一步地，导热介质5的材料具有粘性最佳，以利于将微加热器3固定在上盖板102上；在本实用新型的实施例中，导热介质5的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

需要说明的是，微加热器3及导热介质4为本实用新型的MEMS质量流量控制器的可动部件：调节微加热器3的功率，使导热介质4发生膨胀或收缩，从而驱动微加热器3靠近或远离下基板101，使气流通道103减小或增大。因此，本实用新型的MEMS质量流量控制器的工作原理是：气体从气流通道103的入口104通入壳体1后，沿着气流通道104从出口105排出，期间经质量流量传感器2测得其质量流量，并反馈给后端处理电路与给定值进行比较，随后利用该反馈动态调节微加热器3的功率，控制导热介质4的膨胀程度，即控制气流通道的大小，从而实现对微小气体流量的精确控制。

综上所述，本实用新型提供的MEMS质量流量控制器具有结构简单、体积小、成本低的特点，且避免了复杂的制备工艺，可控性强；本实用新型利用MEMS质量流量传感器对气体流量进行精确测量，并将测量电压作为反馈量，用于指导调节微加热器的功率，进而利用导热介质在高温下膨胀引起的形变实现对流量的精确控制，因此，本实用新型提供的MEMS质量流量控制器稳定性高，可实现微小流量的高精度测量和控制。

所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种MEMS质量流量控制器，其特征在于，包括壳体以及位于壳体内部的质量流量传感器和微加热器，所述壳体包括下基板及上盖板及由二者围成的气流通道；质量流量传感器固定在下基板上，且位于靠近气流通道的入口一侧；微加热器通过导热介质固定在上盖板上，且位于靠近气流通道的出口一侧。

2.根据权利要求1所述的一种MEMS质量流量控制器，其特征在于，所述质量流量传感器包括：

衬底一，设有沿上下向贯通的隔热腔体一；

支撑层一，形成于衬底一及隔热腔体一上；

加热元件一，形成于支撑层一的上表面，且局部位于隔热腔体一的上方；

感温元件，形成于支撑层一的上表面，两个感温元件对称分布在加热元件一的两侧，且局部位于隔热腔体一的上方；

金属层，形成于支撑层一的上表面；

绝缘层一，覆盖加热元件一、感温元件及金属层，且绝缘层一上通过局部刻蚀形成暴露出部分金属层的接触孔一。

3.根据权利要求1所述的一种MEMS质量流量控制器，其特征在于，所述微加热器采用MEMS工艺制作而成，具体包括：

衬底二，由衬底二上表面向内凹入形成隔热腔体二；

支撑层二，形成于衬底二及隔热腔体二上；

加热电阻二和电极，形成于支撑层二的上表面，且加热电极二位于隔热腔体二的上方；

绝缘层二，覆盖加热电阻一及电极，并局部刻蚀出接触孔二以暴露部分电极。

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