CN220270523U - 一种双热源mems气体流量芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种双热源MEMS气体流量芯片。本实用新型包括硅衬底；热电堆，设置于硅衬底上，热电堆包括上游热电堆下层热电偶、下游热电堆下层热电偶以及设置与上游热电堆下层热电偶和下游热电堆下层热电偶之间的中心热源；其中，上游热电堆下层热电偶包括上游热电堆测温负电极和上游热电堆测温正电极；下游热电堆下层热电偶包括下游热电堆测温负电极和下游热电堆测温正电极；中心热源包括第一组中心热源和第二组中心热源，第一组中心热源包括第一中心热源加热负电极和第一中心热源加热正电极，第二组中心热源包括第二中心热源加热负电极和第二中心热源加热正电极。本实用新型提高了微流量检测的灵敏度且测量范围广以及抗干扰能力强。

Description

一种双热源MEMS气体流量芯片

技术领域

本实用新型涉及流量传感器技术领域，尤其是指一种双热源MEMS气体流量芯片。

背景技术

微流道MEMS（Microelectromechanical Systems，微电子机械系统）气体流量芯片是一种基于微机电系统技术制作的气体流量传感器，主要应用于气体流量测量和流量控制。与传统的气体流量计相比，微流道MEMS气体流量芯片具有结构紧凑、量程大、对微小流量响应迅速等优点，因此在工业自动化、能源管理、环境监测等领域中应用广泛。如在电力电子领域中，微流道MEMS气体流量芯片可以用于流量控制和冷却，提高电子系统的性能和可靠性。在环境领域中，用于设备的气体泄漏的监测。生命科学领域中，微流道MEMS气体流量芯片可以用于生物反应器中气体的流量控制，保证生物反应器中的气体营养物质和气体排出物的均衡，为生物反应器的培养和研究提供技术支撑。

然而，在实际应用中，一些微小的流量变化可能会未能被传感器准确检测到，同时，目前的气体流量传感器的测量量程限制了其适用范围。另外，当前环境中可能存在的干扰源包括温度变化、湿度变化、压力变化等，这些因素可能会对传感器的测量结果产生影响。

因此，现有气体流量传感器的微流量检测的灵敏度、测量量程和抗干扰能力有待进一步提高。

发明内容

为此，本实用新型提供一种双热源MEMS气体流量芯片，提高了微流量检测的灵敏度且测量范围广以及抗干扰能力强。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种双热源MEMS气体流量芯片，包括：

硅衬底；

热电堆，设置于所述硅衬底上，所述热电堆包括上游热电堆下层热电偶、下游热电堆下层热电偶以及设置与所述上游热电堆下层热电偶和所述下游热电堆下层热电偶之间的中心热源；其中，所述上游热电堆下层热电偶包括沿芯片第一轴（Y-Y`）向剖面对称设置的上游热电堆测温负电极和上游热电堆测温正电极；

所述下游热电堆下层热电偶包括沿芯片第一轴（Y-Y`）向剖面对称设置的下游热电堆测温负电极和下游热电堆测温正电极；

所述上游热电堆测温负电极和所述下游热电堆测温负电极沿芯片第二轴（X-X`）向剖面对称设置；所述上游热电堆测温正电极和所述下游热电堆测温正电极沿芯片第二轴（X-X`）向剖面对称设置；

所述中心热源包括第一组中心热源和第二组中心热源，所述第一组中心热源包括沿芯片第二轴（X-X`）向剖面对称设置且位于所述上游热电堆测温负电极和所述下游热电堆测温负电极中心的第一中心热源加热负电极和第一中心热源加热正电极，所述第二组中心热源包括沿芯片第二轴（X-X`）向剖面对称设置且位于所述上游热电堆测温正电极和所述下游热电堆测温正电极中心的第二中心热源加热负电极和第二中心热源加热正电极；

第一绝缘层，覆盖于所述热电堆且包括多个冷热端连接通孔；

导线结构，通过所述冷热端连接通孔与所述热电堆相接触。

在本实用新型的一种实施方式中，所述硅衬底包括硅片以及包括沿所述硅片的第表面依次设置的一层第一氧化硅支撑层、一层氮化硅支撑层和一层第二氧化硅支撑层。

在本实用新型的一种实施方式中，所述导线结构包括分别通过所述冷热端连接通孔与上游热电堆下层热电偶、所述下游热电堆下层热电偶和所述中心热源相接触的上游热电堆下层热电偶导线结构、下游热电堆下层热电偶导线结构和中心热源导线结构。

在本实用新型的一种实施方式中，还包括第二绝缘层，所述第二绝缘层设置于所述第一绝缘层上并覆盖所述上游热电堆下层热电偶导线结构、所述下游热电堆下层热电偶导线结构和所述中心热源导线结构。

在本实用新型的一种实施方式中，还包括钝化层，所述钝化层设置于所述第二绝缘层上。

在本实用新型的一种实施方式中，所述热电堆的材料为P型多晶硅。

在本实用新型的一种实施方式中，所述导线结构的材质为铝。

在本实用新型的一种实施方式中，所述硅衬底上相对于所述热电堆的一面设置有背面释放腔。

本实用新型的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本实用新型采用中心双热源结构，提高了测量的准确性和稳定性，双热源结构采用两组独立的P型多晶硅半导体中心热源，优势如下：

当对第一组中心热源供电时，此铂电阻当作热源，第二组中心热源可以用来做测试温度电阻，可以通过测试其阻值R2来检测第一组中心热源的产生的温度，以及上下游热电堆的输出值U1与U2，进而算出△V1=U1-U2，同理，当第二组中心热源供电时，其电阻当作热源，第一组中心热源可以用来做测试温度电阻，可以通过测试第一组中心热源R1检测第二组中心热源作为中心热源的产生的温度，以及上下游热电堆的输出值U3与U4，进而算出△V2=U3-U4，通过上述方式，可以检测晶圆代工工艺的一致性，即两组铂电阻的发热量是否一致，通过计算△R=R1-R2，△V=△V1-△V2是否分别符合阈值△δ、△ε以内，作为两组热源的单组自检测及测温热电堆的自检测的评价，双热源的设计可以作为双自检测的一个理论依据；

可以提高器件的普适性，用于不同量程检测：当只对其中一组中心热源进行供电时，单组热源可以测的的量程为X，而当给双热源组同时供电时，则可测量量程能达到1.5X~2X，单组热源的因只需给单组热源进行供电功耗更低，响应时间更快，双热源结构因中心热源产生的热量更多，当受到流量的变化时，上下游热量的改变速度更快，灵敏度更高，上下游热量的改变值，即导致的温差绝对值亦会更大，扩大了线性测量范围，所以双热源结构设计，可以使器件量程更大，可以满足用户应对不用应用场景的不同需求；

增强了抗干扰能力：双热源结构可以通过多重温度差的合并，降低电源、温度和流体纵向均匀性方面的误差，增强了热式流量计的抗干扰能力。

附图说明

为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用双热源MEMS气体流量芯片的俯视示意图。

图2是本实用双热源MEMS气体流量芯片沿Y-Y`轴向剖面示意图。

图3是本实用新型双热源MEMS气体流量芯片沿X-X`轴向剖面示意图。

说明书附图标记说明：

1、硅衬底；11、硅片；12、第一氧化硅支撑层；13、氮化硅支撑层；14、第二氧化硅支撑层；15、背面释放腔；

22、上游热电堆下层热电偶；22a、上游热电堆测温负电极；22b、上游热电堆测温正电极；23、下游热电堆下层热电偶；23a、下游热电堆测温负电极；23b、下游热电堆测温正电极；24、中心热源；241、第一组中心热源；241a、第一中心热源加热负电极；241b、第一中心热源加热正电极；242、第二组中心热源；242a、第二中心热源加热负电极；242b、第二中心热源加热正电极；

25、第一绝缘层；251、冷热端连接通孔；261、上游热电堆下层热电偶导线结构；262、下游热电堆下层热电偶导线结构；263、中心热源导线结构；27、第二绝缘层；28、钝化层；

Y-Y`、芯片第一轴；X-X`、芯片第二轴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

本实用新型中，如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，其仅是为了便于描述本实用新型的技术方案，而不是指示或暗示所指的技术特征必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型中，“若干”的含义是一个或者多个，“多个”的含义是两个以上，“大于”“小于”“超过”等理解为不包括本数；“以上”“以下”“以内”等理解为包括本数。在本实用新型的描述中，如果有描述到“第一”“第二”仅用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本实用新型中，除非另有明确的限定，“设置”“安装”“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接，也可以是电连接或能够互相通讯；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。

参照图1至图3所示，本实用新型的一种双热源MEMS气体流量芯片，包括：

硅衬底1；

热电堆，设置于所述硅衬底1上，所述热电堆包括上游热电堆下层热电偶22、下游热电堆下层热电偶23以及设置与所述上游热电堆下层热电偶22和所述下游热电堆下层热电偶23之间的中心热源24；其中，所述上游热电堆下层热电偶22包括沿芯片第一轴Y-Y`向剖面对称设置的上游热电堆测温负电极22a和上游热电堆测温正电极22b；

所述下游热电堆下层热电偶23包括沿芯片第一轴Y-Y`向剖面对称设置的下游热电堆测温负电极23a和下游热电堆测温正电极23b；

所述上游热电堆测温负电极22a和所述下游热电堆测温负电极23a沿芯片第二轴X-X`向剖面对称设置；所述上游热电堆测温正电极22b和所述下游热电堆测温正电极23b沿芯片第二轴X-X`向剖面对称设置；

所述中心热源24包括第一组中心热源241和第二组中心热源242，所述第一组中心热源241包括沿芯片第二轴X-X`向剖面对称设置且位于所述上游热电堆测温负电极22a和所述下游热电堆测温负电极23a中心的第一中心热源加热负电极241a和第一中心热源加热正电极241b，所述第二组中心热源242包括沿芯片第二轴X-X`向剖面对称设置且位于所述上游热电堆测温正电极22b和所述下游热电堆测温正电极23b中心的第二中心热源加热负电极242a和第二中心热源加热正电极242b；

第一绝缘层25，覆盖于所述热电堆且包括多个冷热端连接通孔251；

导线结构，通过所述冷热端连接通孔251与所述热电堆相接触。

具体地，所述硅衬底1包括硅片11以及包括沿所述硅片11的第表面依次设置的一层第一氧化硅支撑层12、一层氮化硅支撑层13和一层第二氧化硅支撑层14。通过上述设置，利用氮化硅与氧化硅的应力反向的特性，可以产生拉应力与压应力，可以改善支撑膜层的应力分布，在一定程度上减轻或平衡应力集中问题，并且通过三层支撑层结构能够提高硅片11的机械稳定性和可靠性，减少对器件性能的不利影响。

具体地，所述导线结构包括分别通过所述冷热端连接通孔251与上游热电堆下层热电偶22、所述下游热电堆下层热电偶23和所述中心热源24相接触的上游热电堆下层热电偶导线结构261、下游热电堆下层热电偶导线结构262和中心热源导线结构263。所述导线结构的材质为铝。

具体地，还包括第二绝缘层27，所述第二绝缘层27设置于所述第一绝缘层25上并覆盖所述上游热电堆下层热电偶导线结构261、所述下游热电堆下层热电偶导线结构262和所述中心热源导线结构263。

具体地，还包括钝化层28，所述钝化层28设置于所述第二绝缘层27上。

在一些实施例中，钝化层28采用氮化硅钝化层；第一绝缘层25和第二绝缘层27均采用氧化硅。

具体地，所述热电堆的材料为P型多晶硅；所述导线结构的材质为铝。通过上述设置，靠近热源热端的冷热端连接通孔251使P型多晶硅上游热电堆下层热电偶22与上层的铝导电层在热端直接相连，同时，P型多晶硅下游热电堆下层热电偶23靠近冷端的冷热端连接通孔251与相邻的热偶对的上层铝导电层冷端相连。实现更有效的温度梯度和热流传递，有助于提高热电堆的性能，增加其产生的电能输出。

具体地，所述硅衬底1上相对于所述热电堆的一面设置有背面释放腔15。能够分别将所述上游热电堆下层热电偶22、所述下游热电堆下层热电偶23和所述中心热源24的位置进行释放，防止热量损失；所述背面释放腔15为梯形结构。

本实用新型通过设置中心双热源结构，具有以下优势：

提高测量准确性和稳定性：通过采用两组独立的中心热源24，可以同时测量两个热源产生的温度和上下游热电堆的输出值，通过比较温度差和电压差，可以检测晶圆代工工艺的一致性和热量发散的一致性，从而提高测量的准确性和稳定性。

可以扩大量程检测范围：当只给其中一组中心热源24供电时，可以测量的量程为X。但是当给双热源组同时供电时，量程可以扩大到1.5X~2X。此外，单组热源的响应时间更快，功耗更低，而双热源结构具有更高的灵敏度和更大的温差值，从而扩大了线性测量范围。因此，双热源结构可以适用于不同量程检测的需求。

增强抗干扰能力：通过合并多重温度差，该结构可以降低电源、温度和流体均匀性方面的误差，从而增强了热式流量计的抗干扰能力，这意味着在面对外部干扰时，该结构可以更稳定地测量流量。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照实例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种双热源MEMS气体流量芯片，其特征在于，包括：

硅衬底（1）；

热电堆，设置于所述硅衬底（1）上，所述热电堆包括上游热电堆下层热电偶（22）、下游热电堆下层热电偶（23）以及设置与所述上游热电堆下层热电偶（22）和所述下游热电堆下层热电偶（23）之间的中心热源（24）；其中，所述上游热电堆下层热电偶（22）包括沿芯片第一轴（Y-Y`）向剖面对称设置的上游热电堆测温负电极（22a）和上游热电堆测温正电极（22b）；

所述下游热电堆下层热电偶（23）包括沿芯片第一轴（Y-Y`）向剖面对称设置的下游热电堆测温负电极（23a）和下游热电堆测温正电极（23b）；

所述上游热电堆测温负电极（22a）和所述下游热电堆测温负电极（23a）沿芯片第二轴（X-X`）向剖面对称设置；所述上游热电堆测温正电极（22b）和所述下游热电堆测温正电极（23b）沿芯片第二轴（X-X`）向剖面对称设置；

所述中心热源（24）包括第一组中心热源（241）和第二组中心热源（242），所述第一组中心热源（241）包括沿芯片第二轴（X-X`）向剖面对称设置且位于所述上游热电堆测温负电极（22a）和所述下游热电堆测温负电极（23a）中心的第一中心热源加热负电极（241a）和第一中心热源加热正电极（241b），所述第二组中心热源（242）包括沿芯片第二轴（X-X`）向剖面对称设置且位于所述上游热电堆测温正电极（22b）和所述下游热电堆测温正电极（23b）中心的第二中心热源加热负电极（242a）和第二中心热源加热正电极（242b）；

第一绝缘层（25），覆盖于所述热电堆且包括多个冷热端连接通孔（251）；

导线结构，通过所述冷热端连接通孔（251）与所述热电堆相接触。

2.根据权利要求1所述的一种双热源MEMS气体流量芯片，其特征在于，所述硅衬底（1）包括硅片（11）以及包括沿所述硅片（11）的第表面依次设置的一层第一氧化硅支撑层（12）、一层氮化硅支撑层（13）和一层第二氧化硅支撑层（14）。

3.根据权利要求1所述的一种双热源MEMS气体流量芯片，其特征在于，所述导线结构包括分别通过所述冷热端连接通孔（251）与上游热电堆下层热电偶（22）、所述下游热电堆下层热电偶（23）和所述中心热源（24）相接触的上游热电堆下层热电偶导线结构（261）、下游热电堆下层热电偶导线结构（262）和中心热源导线结构（263）。

4.根据权利要求3所述的一种双热源MEMS气体流量芯片，其特征在于，还包括第二绝缘层（27），所述第二绝缘层（27）设置于所述第一绝缘层（25）上并覆盖所述上游热电堆下层热电偶导线结构（261）、所述下游热电堆下层热电偶导线结构（262）和所述中心热源导线结构（263）。

5.根据权利要求4所述的一种双热源MEMS气体流量芯片，其特征在于，还包括钝化层（28），所述钝化层（28）设置于所述第二绝缘层（27）上。

6.根据权利要求1所述的一种双热源MEMS气体流量芯片，其特征在于，所述热电堆的材料为P型多晶硅。

7.根据权利要求1所述的一种双热源MEMS气体流量芯片，其特征在于，所述导线结构的材质为铝。

8.根据权利要求1所述的一种双热源MEMS气体流量芯片，其特征在于，所述硅衬底（1）上相对于所述热电堆的一面设置有背面释放腔（15）。