CN220398640U - 一种mems热温差型气体流量传感器 - Google Patents
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Abstract
本申请提供的一种MEMS热温差型气体流量传感器，两个加热元件对称设置，每个加热元件两侧的热电堆也是对称设置，当气体流过加热元件时，位于其两侧的热电堆将温差转化为热电动势输出，同时磁性薄膜提供磁场，基于纵向能斯托效应，热电堆内再次产生电动势，且与热电动势方向一致，两个电动势叠加，增大了热电堆温差检测的灵敏度，进而增大了MEMS热温差型气体流量传感器芯片的灵敏度。
Description
技术领域
本实用新型涉及传感器技术领域，具体为一种MEMS热温差型气体流量传感器。
背景技术
MEMS(微机电系统)热温差型气体流量传感器芯片通常由加热元件和测温元件组成，当传感器芯片表面气体静止时，电流通过加热元件产生热量，温度场在加热元件两侧对称分布，加热元件两侧的测温元件测得的温度相同。当有气体流过加热元件时，加热元件产生的对称温度场受到破坏，加热元件上游的测温元件受到气体的冷却作用，温度降低，下游的测温元件受到气体的加热作用，温度上升。在一定范围内，气体流量越大，加热元件两侧的测温元件的温差越大，测温元件测量此温差，可以反映气体的流量大小。
其中，测温元件通常基于温敏电阻或者热电堆实现。热电堆的优势为不需要外接电源和功耗低。如申请号为CN202221900075.1的专利，即公开了一种便于调节MEMS红外热电堆气体传感器。然而，随着应用领域的拓展，呼吸机应用中，由于人的呼吸流量很小，现有技术中的MEMS热温差型气体流量传感器的灵敏度逐渐无法满足需要。
发明内容
为了解决现有技术中的MEMS热温差型气体流量传感器的灵敏度逐渐无法满足需求的问题，本实用新型提供一种MEMS热温差型气体流量传感器，其在保持芯片面积不扩大的基础上，提高了检测灵敏度。
本实用新型的结构是这样的：一种MEMS热温差型气体流量传感器，其包括：加热元件和测温元件，
其特征在于：
所述测温元件包括：热电堆和磁性薄膜；
两个所述磁性薄膜对称地设置，每个所述磁性薄膜上分别设置一层绝缘层；
每个所述绝缘层上表面的中央位置分别设置一个所述加热元件，两个所述加热元件互相平行且对称；
每个所述加热元件两侧分别对称地设置一个所述热电堆；
所述热电堆包括：第一热电腿、第二热电腿和互联金属区；
所述第一热电腿和所述第二热电腿互相平行，且交错并排设置；
所述第一热电腿垂直于所述加热元件，且所述第一热电腿为L型，分布于所述绝缘层表面和所述第一衬底上；
每个相邻的所述第一热电腿的端头与所述第二热电腿的端头之间设置一个所述互联金属区；
所述热电堆中位于最外侧的所述第一热电腿和所述第二热电腿的上临近所述加热元件的端头外侧分别设置第二引线区和第一引线区；
所述加热元件两端分别设置第三引线区和第四引线区。
其进一步特征在于：
每个所述热电堆包括：四个所述第一热电腿、四个所述第二热电腿和七个所述互联金属区；
所述磁性薄膜和所述绝缘层均基于低热导率材料完成；
所述第一引线区、所述第二引线区、所述第三引线区和所述第四引线区的材料、厚度均与所述互联金属区相同；
其还包括第一衬底和第二衬底；
两个所述磁性薄膜对称地所述第一衬底上；
所述第二衬底设置在所述第一衬底的正上方；所述第二衬底上设置凹槽，所述第一衬底通过胶粘的方式与所述第二衬底连接在一起，所述第一衬底与所述第二衬底之间基于凹槽形成流道；
所述加热元件和所述测温元件同时设置在第一衬底和第二衬底之间的所述流道中。
本申请提供的一种MEMS热温差型气体流量传感器，两个加热元件对称设置，每个加热元件两侧的热电堆也是对称设置，当气体流过加热元件时，位于其两侧的热电堆将温差转化为热电动势输出，同时磁性薄膜提供磁场，基于纵向能斯托效应，热电堆内再次产生电动势，且与热电动势方向一致，两个电动势叠加，增大了热电堆温差检测的灵敏度，进而增大了MEMS热温差型气体流量传感器芯片的灵敏度。两组加热元件和热电堆分别工作在低流量与高流量两种工况下，确保在不增加芯片面积的前提下，增大了MEMS热温差型气体流量传感器芯片的量程。
附图说明
图1为本申请中高灵敏度的MEMS热温差型气体流量传感器芯片的俯视示意图结构示意图；
图2为图1沿A-A’方向的剖面图。
具体实施方式
如图1~图2所示，本实用新型包括一种MEMS热温差型气体流量传感器，其包括第一衬底1、磁性薄膜2、绝缘层3、加热元件4、第一热电腿5、互联金属区6、第二热电腿7、第一引线区8、第二引线区9、第三引线区10、第四引线区11、第二衬底12和流道13。
第二衬底12设置在第一衬底1的正上方；第二衬底12上设置凹槽，第一衬底1通过胶粘的方式与第二衬底12连接在一起，第一衬底1与第二衬底12之间基于凹槽形成流道13。
加热元件4和测温元件同时设置在第一衬底1和第二衬底12之间的流道13中。
测温元件包括：热电堆和磁性薄膜2。本申请技术方案结合了纵向能斯托效应与塞贝克效应，采用磁性薄膜2和热电堆共同作为热温差型气体流量传感器芯片的测温元件，提高了传感器的灵敏度。
两个磁性薄膜2对称地第一衬底1上，磁性薄膜2至少选用FePt、CoPt、CoNiMnP、Sr铁氧体等材料中的一种，提供纵向能斯托效应所需的磁场。每个磁性薄膜2上分别设置一层绝缘层3；
磁性薄膜2和绝缘层3均基于低热导率材料完成，有效地减小了热电堆热端的热量散失，进一步提高了传感器的灵敏度。
本申请中，使用磁性薄膜层作为热电偶与衬底的隔热层，磁性薄膜层利用金属为原材料，基于导热系数低的磁性薄膜层，用作隔热结构；与现有技术中的基于多孔硅隔热层或者深硅刻蚀制备悬空薄膜作为隔热结构相比，不但降低了芯片成本，同时降低了芯片制备的的复杂性，提高成品率。
每个绝缘层3上表面的中央位置分别设置一个加热元件4，两个加热元件4互相平行且对称。
每个加热元件4两侧分别对称地设置一个热电堆。
热电堆包括：第一热电腿5、第二热电腿7和互联金属区6；第一热电腿5和第二热电腿7互相平行，且交错并排设置；每个相邻的第一热电腿5的端头与第二热电腿7的端头之间设置一个互联金属区6；第一热电腿5为L型，分布于绝缘层3表面和第一衬底1上。
热电堆中位于最外侧的第一热电腿5和第二热电腿7的上临近加热元件4的端头外侧分别设置第二引线区9和第一引线区8；加热元件4两端分别设置第三引线区10和第四引线区11；第一热电腿5垂直于加热元件4。
本申请中，第一热电腿5、互联金属区6与第二热电腿7共同构成的热电堆和磁性薄膜2组成了测温元件。测温元件与加热元件4共同构成了MEMS热温差型气体流量传感器芯片。当气体流过加热元件4时，位于其两侧的热电堆将温差转化为热电动势输出，同时磁性薄膜2提供磁场，基于纵向能斯托效应，热电堆内再次产生电动势，且与热电动势方向一致，两个电动势叠加，增大了热电堆温差检测的灵敏度，进而增大了MEMS热温差型气体流量传感器芯片的灵敏度。
本申请中，在第一衬底1的上表面对称地设置了两组加热元件4与热电堆，两个加热元件4的温度场叠加，当气体流量较小时，左侧的加热元件4的两侧温差明显，此时左侧的加热元件4及热电堆充当工作的气体传感器，右侧的加热元件4两侧的温差较小，处于不工作状态。当气体流量较大时，左侧的加热元件4的两侧温差较小，不再处于工作状态，右侧的加热元件4的两侧温差明显，充当工作的气体传感器。两组加热元件4和热电堆分别工作在低流量与高流量两种工况下，增大了MEMS热温差型气体流量传感器芯片的量程。
如图1所示的实施例中，每个热电堆包括：四个第一热电腿5、四个第二热电腿7和七个互联金属区6。每个电容堆中，第一热电腿5和第二热电腿7并行交错设置，同时垂直于加热元件4；第一热电腿5和第二热电腿7的两端分别与相邻的电热腿之间设置互联金属区6，所以每个热电堆中共有七个互联金属区6。同一个加热元件4两侧的热电堆以家人原件4为中心线对称设置。每个加热原件4与其相邻的测温元件构成一个测量组，两个测量组又以中心线对称的方式设置。
第一引线区8、第二引线区9、第三引线区10和第四引线区11的材料、厚度均与互联金属区6相同。
本实施例中，第一衬底1的材料为单晶硅，厚度为200-1000μm；磁性薄膜2的材质为FePt、CoPt、CoNiMnP、Sr铁氧体中的一种，厚度为1μm-5μm；绝缘层3的材料为氧化硅，厚度为100nm-500nm；加热元件4的材料为铂、多晶硅、锗其中一种，厚度为200nm-2μm；第一热电腿5材料为n型多晶硅，厚度为500nm-5μm，；第二热电腿7材料为p型多晶硅，厚度为500nm-5μm；互联金属区6材料为Al、Ti、Au、Cu的至少一种，厚度为500nm-5μm；第二衬底12的材料为单晶硅或玻璃，厚度为200-1000μm；流道13设置在第一衬底1与第二衬底12之间，高度为20-200μm。具体实现时，在第二衬底12表面制备深度为50μm的凹槽，与第一衬底1通过胶粘的方式连接在一起，形成流道13。
使用本实用新型的技术方案后，在晶圆上集成了双加热及测温元件，分别在低流量与高流量时工作，提高了传感器芯片的量程，本申请中提供的传感器具有精度高、一致性好、易于批量制造以及成本低的优点。
Claims (5)
1.一种MEMS热温差型气体流量传感器，其包括：加热元件和测温元件，
其特征在于：
所述测温元件包括：热电堆和磁性薄膜；
两个所述磁性薄膜对称地设置，每个所述磁性薄膜上分别设置一层绝缘层；
每个所述绝缘层上表面的中央位置分别设置一个所述加热元件，两个所述加热元件互相平行且对称；
每个所述加热元件两侧分别对称地设置一个所述热电堆；
所述热电堆包括：第一热电腿、第二热电腿和互联金属区；
所述第一热电腿和所述第二热电腿互相平行，且交错并排设置；
所述第一热电腿垂直于所述加热元件，且所述第一热电腿为L型；
每个相邻的所述第一热电腿的端头与所述第二热电腿的端头之间设置一个所述互联金属区；
所述热电堆中位于最外侧的所述第一热电腿和所述第二热电腿的上临近所述加热元件的端头外侧分别设置第二引线区和第一引线区；
所述加热元件两端分别设置第三引线区和第四引线区。
2.根据权利要求1所述一种MEMS热温差型气体流量传感器，其特征在于：每个所述热电堆包括：四个所述第一热电腿、四个所述第二热电腿和七个所述互联金属区。
3.根据权利要求1所述一种MEMS热温差型气体流量传感器，其特征在于：所述磁性薄膜和所述绝缘层均基于低热导率材料完成。
4.根据权利要求1所述一种MEMS热温差型气体流量传感器，其特征在于：所述第一引线区、所述第二引线区、所述第三引线区和所述第四引线区的材料、厚度均与所述互联金属区相同。
5.根据权利要求1所述一种MEMS热温差型气体流量传感器，其特征在于：其还包括第一衬底和第二衬底；
两个所述磁性薄膜对称地所述第一衬底上；
L型的所述第一热电腿分布于所述绝缘层表面和所述第一衬底上；
所述第二衬底设置在所述第一衬底的正上方；所述第二衬底上设置凹槽，所述第一衬底通过胶粘的方式与所述第二衬底连接在一起，所述第一衬底与所述第二衬底之间基于凹槽形成流道；
所述加热元件和所述测温元件同时设置在第一衬底和第二衬底之间的所述流道中。
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