帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器及其制作方法。帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器，它包括硅襯底、位于該硅襯底正面并具有加熱電阻及多個測溫元件的薄膜結構，硅襯底具有絕熱空腔，薄膜結構的位于該絕熱空腔上方的部分被定義為熱膜，薄膜結構具有分別位于熱膜上游側和下游側且用于將流經的流體整流為平流狀態(tài)并增加薄膜結構與流體接觸面積的兩個整流結構。帶有整流結構的設計，一方面可將流經熱膜的待測流體整流為平流狀態(tài)，從而提高其探測精度，另一方面增大了待測流體與熱膜的接觸面積，因此提高了換熱效率，從而使得探測靈敏度得到提高。
【專利說明】
帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器及其制作方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種基于MEMS技術的帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器及其制作方法，屬于微細加工領域?！颈尘凹夹g】
[0002]流量測量在能源、生物、汽車、航空航天、科研、工業(yè)過程控制等領域都有著極為廣泛的應用，如能源領域的水、天然氣、蒸汽和油品等常用的能源監(jiān)測，生物技術中血液，尿液等監(jiān)測;汽車發(fā)動機的進氣量監(jiān)測等領域，都使用著數量極其龐大的流量計，它們是能源管理、高效利用、經濟核算不可缺少的工具。也是高效利用能源，實現節(jié)能降耗，減小環(huán)境污染，改進產品質量，提高經濟效益和管理水平的重要工具，在國民經濟中占有重要的地位。 不同應用的流量計，其工作原理也不同，主要工作原理有力學原理、熱學原理、聲學原理、光學原理等。
[0003]熱式流量計是在早期熱線風速計的基礎上發(fā)展起來的一種新型流量計，基于熱學原理，S卩Thomas提出的“氣體的放熱量與吸熱量與該氣體的質量流量成正比”的理論進行工作的，因其具有測量精度高，響應快等優(yōu)點，目前已廣泛應用于航空、航天、能源、醫(yī)學、汽車工業(yè)以及天然氣管道運輸等行業(yè)。熱式流量計可分為熱線式流量計和熱膜式流量計，其主要工作方式有恒溫差式和恒流式，通過不同的信號控制與處理電路實現。
[0004]熱線式流量計通常由感知空氣流量的熱敏絲(熱線)和對進氣溫度進行修正的溫度補償熱敏絲(冷線)構成，利用熱線與空氣之間的熱傳遞進行質量流量測量。熱線式流量計較傳統流量計，可直接測得進氣空氣的質量流量，無需壓力補償等部件，具有進氣阻力小、響應特性好、測量精度高等特點。但通常熱敏絲暴露在空氣中，這樣使得長時間使用后熱敏絲被空氣中顆粒污染，造成測量精度下降，另一方面在高速流動時，空氣中的沙粒容易擊斷熱絲，造成傳感器失效;此外，熱線一致性較差，使得批量生產較困難。熱膜式流量傳感器采用MEMS技術制作，產品一致性好，易于批量生產，成本低，不易污染。其工作原理為，被測流體流經熱膜，與熱膜發(fā)生熱交換，從而造成熱膜上局部的溫度發(fā)生改變，通過制作在熱膜上的熱敏電阻探測該溫度變化量，從而測試出了待測流體的質量流量。待測流體與熱膜的熱交換效率越高，探測靈敏度越高。相同質量流量的流體，參與換熱的表面積越大，其換熱越多。
【發(fā)明內容】

[0005]為了解決現有技術中的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器及其制作方法。[〇〇〇6]為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器， 它包括硅襯底、位于該硅襯底正面并具有加熱電阻及多個測溫元件的薄膜結構，硅襯底具有絕熱空腔，薄膜結構的位于該絕熱空腔上方的部分被定義為熱膜，薄膜結構具有分別位于熱膜上游側和下游側且用于將流經的流體整流為平流狀態(tài)并增加薄膜結構與流體接觸面積的兩個整流結構。
[0007]進一步地，整流部包括多個凸臺和多個凹槽，凸臺和凹槽彼此間隔設置，凸臺和凹槽的長度方向均沿著流體流向設置。
[0008]進一步地，薄膜結構包括第一層介質薄膜、包括加熱電阻及多個測溫元件的熱敏層、第二層介質薄膜、用于將上述加熱電阻及多個測溫元件與外部信號控制與處理電路相連接的信號引線、鈍化層。
[0009]更進一步地，整流結構包括多個凸臺和多個凹槽，凸臺和凹槽彼此間隔設置，每個凸臺由熱敏長條凸起、第二層介質薄膜的位于熱敏長條凸起上方的部分、鈍化層的位于熱敏長條凸起上方的部分構成，每個凹槽由第二層介質薄膜的位于相鄰兩個熱敏長條凸起之間的部分、鈍化層的位于相鄰兩個熱敏長條凸起之間的部分構成，熱敏長條凸起的長度方向沿著流體流向設置。
[0010]更進一步地，熱敏層還包括熱敏長條凸起。
[0011]進一步地，多個測溫元件包括設置在薄膜結構的邊緣并用于檢測流入到熱膜上流體的初始溫度的至少一個第一測溫元件、分布在加熱電阻的兩側并用于分別檢測流體流經加熱電阻之前和之后的溫度的至少兩個第二測溫元件。
[0012]更進一步地，加熱電阻和第二測溫元件位于絕熱空腔的上方。
[0013]更進一步地，多個測溫元件還包括設置在加熱電阻和第二測溫元件之間的用于實時檢測熱膜溫度的至少一個第三測溫元件。
[0014]進一步地，加熱電阻及多個測溫元件的長度方向均垂直于流體流向設置。
[0015]本發(fā)明還提供了另一種技術方案:一種上述的帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器的制造方法，包括以下步驟:a.在硅襯底的正面和背面分別生長第一層介質薄膜；b.在位于正面的第一層介質薄膜上生長熱敏層薄膜，并圖形化形成加熱電阻、多個測溫元件以及多個熱敏長條凸起，熱敏長條凸起的長度方向沿著流體流向設置；c.生長第二層介質薄膜，并圖形化，在對應加熱電阻和測溫元件處分別形成多個引線孔；d.生長引線層薄膜，并圖形化，形成多個信號引線，每個信號引線一端通過引線孔連接加熱電阻或一個測溫元件；e.生長鈍化層，并圖形化，在對應每個信號引線的另一端處形成開孔使信號引線從該開孔露出；f.對硅襯底背面進行腐蝕至熱膜露出，而形成絕熱空腔。
[0016]由于采用了上述技術方案，本發(fā)明帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器及其制作方法，具有如下優(yōu)點:1.帶有整流結構的設計，一方面可將流經熱膜的待測流體整流為平流狀態(tài)，從而提高其探測精度，另一方面增大了待測流體與熱膜的接觸面積，因此提高了換熱效率，從而使得探測靈敏度得到提高；2.質量流量傳感器使用微細加工技術進行加工，因此其整體體積小，易于批量化生產，成本低。【附圖說明】
[0017]附圖1為本實施例中鏤空熱膜式流量傳感器的立體結構示意圖；附圖2為附圖1中的AA ’剖面結構示意圖；附圖3為附圖1中的BB ’剖面結構示意圖；附圖4為附圖1中的CC ’剖面結構示意圖；附圖5為本實施例中帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器的制造方法的步驟a的結構示意圖；附圖6為本實施例中帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器的制造方法的步驟b的結構示意圖；附圖7為本實施例中帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器的制造方法的步驟b中整流部的結構示意圖；附圖8為本實施例中帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器的制造方法的步驟c的結構示意圖；附圖9為本實施例中帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器的制造方法的步驟c中整流部的結構示意圖；附圖10為本實施例中帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器的制造方法的步驟d的結構示意圖；附圖11為本實施例中帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器的制造方法的步驟e的結構示意圖；附圖12為本實施例中帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器的制造方法的步驟e中整流部的結構示意圖；附圖13為本實施例中帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器的制造方法的步驟f的結構示意圖。
[0018]圖中標號為:1、硅襯底；11、絕熱空腔;2、整流結構;21、凸臺；22、凹槽;3、第一層介質薄膜;40、加熱電阻;41、第一測溫元件;42、第二測溫元件;43、第三測溫元件;44、熱敏長條凸起;5、第二層介質薄膜;51、引線孔;6、信號引線;7、鈍化層;71、開孔。【具體實施方式】[〇〇19]下面結合附圖對本發(fā)明的較佳實施例進行詳細闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點和特征能更易于被本領域技術人員理解。
[0020]參見附圖1至附圖4,本實施例中的帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器，它包括硅襯底1、位于該硅襯底1正面并具有加熱電阻40及多個測溫元件的薄膜結構，硅襯底1具有絕熱空腔11，薄膜結構的位于該絕熱空腔11上方的部分被定義為熱膜，薄膜結構具有分別位于熱膜上游側和下游側的兩個整流結構2,該整流結構2用于將流經的流體整流為平流狀態(tài)，并用于增加薄膜結構與流體接觸面積，從而提高了熱膜與流體的換熱效率。上述的上游側和下游側根據流體流向來定義，本實施例中，流體沿左右方向流動。[0021 ]上述的絕熱空腔11位于硅襯底1的中央部位，絕熱空腔11穿透硅襯底1，使熱膜的下表面從絕熱空腔11露出。
[0022]上述的薄膜結構包括第一層介質薄膜3、熱敏層、第二層介質薄膜5、用于將上述加熱電阻40及多個測溫元件與外部信號控制與處理電路相連接的信號引線6、鈍化層7。
[0023]第一層介質薄膜3厚度為0.3wii?2wii，材料優(yōu)選為氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，還可以為氧化硅與氮化硅復合膜。
[0024]熱敏層材料優(yōu)選為摻雜非晶硅、摻雜單晶硅、摻雜多晶硅、氧化釩中的一種，或其中幾種的復合材料，還可以為11^附、(>中的一種，或其中幾種組成的復合材料，還可以為P-Si/n-Si或Si/Al等熱電偶材料，還可以為Si/GeSi超晶格，還可以為PN結。[〇〇25] 熱敏層包括上述的加熱電阻40及多個測溫元件。熱敏層還包括下文將要進行具體描述的熱敏長條凸起44。[〇〇26]多個測溫元件包括設置在薄膜結構邊緣的至少一個第一測溫元件41，用于檢測流入到熱膜上流體的初始溫度。如附圖1所示的本實施例中，第一測溫元件41有兩個，分別設置在熱膜結構的相對的兩個邊緣處(以下稱為左邊緣和右邊緣)，當流體從左邊緣流入時， 則位于左邊緣的第一測溫元件41工作，當流體從右邊緣流入時，則位于右邊緣的第一測溫元件41工作。[〇〇27]多個測溫元件還包括分布在加熱電阻40兩側的至少兩個第二測溫元件42,用于分別檢測流體流經加熱電阻40之前和之后的溫度。如附圖1所示的本實施例中，第二測溫元件 42有兩個，分別設置在加熱電阻40的左右兩側，分別命名為左測溫元件和右測溫元件。 [〇〇28] 優(yōu)選地，多個測溫元件還包括設置在加熱電阻40和第二測溫元件42之間的至少一個第三測溫元件43,用于實時檢測熱膜溫度，本實施例中的第三測溫元件43有兩個，分別設置在兩個第二測溫元件42與第一測溫元件41之間。[〇〇29] 加熱電阻40和第二測溫元件42以及第三測溫元件43位于絕熱空腔111的上方，即加熱電阻40和第二測溫元件42、第三測溫元件43屬于熱膜的一部分，而第一測溫元件41則位于硅襯底1的除絕熱空腔11以外之部分的上方。
[0030]優(yōu)選地，加熱電阻40及多個測溫元件的長度方向均垂直于流體流向設置。[0031 ]第二層介質薄膜5厚度為0.2wii?lym，材料優(yōu)選為氧化娃、氮化娃或氮氧化娃，還可以為氧化硅與氮化硅復合膜。第二層介質薄膜5上具有多個貫穿第二層介質薄膜5的引線孔51，多個引線孔51的位置分別對應加熱電阻40的端部和多個測溫元件的端部。[〇〇32]信號引線6材料優(yōu)選41、!^^1^11等金屬材料及其合金或摻雜多晶硅、鍺等低阻半導體材料。信號引線6的一端通過引線孔51與加熱電阻40或測溫元件相連接。
[0033]鈍化層7厚度為0.3ym?2ym，材料優(yōu)選為氧化娃、氮化娃或氮氧化娃，還可以為氧化硅與氮化硅復合膜。鈍化層7具有多個貫穿鈍化層7的多個開孔71，多個開孔71的位置分別對應各信號引線6的另一端，從而信號引線6的另一端能夠通過開孔71與外部信號控制與處理電路相連接。
[0034]上述的整流結構包括多個凸臺21和多個凹槽22,凸臺21和凹槽22彼此間隔設置， 凸臺21和凹槽22的長度方向均沿著流體流向設置。每個凸臺21由熱敏長條凸起44、第二層介質薄膜5的位于熱敏長條凸起44上方的部分、鈍化層7的位于熱敏長條凸起44上方的部分構成。每個凹槽22由第二層介質薄膜5的位于相鄰兩個熱敏長條凸起44之間的部分、鈍化層 7的位于相鄰兩個熱敏長條凸起44之間的部分構成，熱敏長條凸起44的長度方向沿著流體流向設置。
[0035]本帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器的工作原理為:通過外部信號控制與處理電路進行控制，使得熱膜的溫度始終高于進入流量傳感器的被測流體的溫度，且溫差始終保持恒定值。加熱電阻40左右對稱分布第二測溫元件42,形成惠斯通電橋，用于測量流體的質量流量。當流體經過時，流體被整流結構2整流為平流狀態(tài)，位于加熱電阻40上游的第二測溫元件42(根據流體的流向，為左測溫元件和右測溫元件中的一個)，由于流體溫度小于熱膜溫度，上游的第二測溫元件42的部分熱量被流體帶走，造成該第二測溫元件42處的溫度降低，對于正溫度系數的第二測溫元件42,其阻值降低;而位于加熱電阻下游的第二測溫元件42(根據流體的流向，為左測溫元件和右測溫元件中的另一個)，由于流體經過加熱電阻40實現了加熱，當其經過下游的第二測溫元件42處時，進行熱交換，使得下游第二測溫元件42被加熱而溫度升高，同樣對于正溫度系數的第二測溫元件42，其阻值增大，通過外部信號控制與處理電路檢測上下游第二測溫元件42的減小和增大量，從而實現了經過流量傳感器的流體的流量測量。
[0036]參照附圖5至附圖13,一種上述帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器的制造方法，并采用的上文所述的材料制作相應的部件，相應部件的厚度和深度等尺寸按照上文所示的對應尺寸制作，該制作方法包括以下步驟:a.在硅襯底1的正面和背面分別生長第一層介質薄膜3，如附圖5所示；b.在位于正面的第一層介質薄膜3上生長熱敏層薄膜，并圖形化形成加熱電阻40、多個測溫元件以及多個熱敏長條凸起44,加熱電阻40、多個測溫元件的長度方向垂直于流體流向設置，熱敏長條凸起44的長度方向沿著流體流向設置，如附圖6和附圖7所示；c.生長第二層介質薄膜5,并圖形化，在對應加熱電阻40和測溫元件處分別形成多個引線孔51，如附圖8和附圖9所示；d.生長引線層薄膜，并圖形化，形成多個信號引線6,每個信號引線6—端通過引線孔 51連接加熱電阻或一個測溫元件，如附圖10所示；e.生長鈍化層7,并圖形化，在對應每個信號引線6的另一端處形成開孔71使信號引線 6從該開孔71露出，如附圖11和附圖12所示；f.對硅襯底1背面進行腐蝕至熱膜露出，而形成絕熱空腔11，如附圖13所示。
[0037]本帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器及其制作方法，具有如下優(yōu)點:1.帶有整流結構的設計，一方面可將流經熱膜的待測流體整流為平流狀態(tài)，從而提高其探測精度，另一方面增大了待測流體與熱膜的接觸面積，因此提高了換熱效率，從而使得探測靈敏度得到提高；2.質量流量傳感器使用微細加工技術進行加工，因此其整體體積小，易于批量化生產，成本低。[〇〇38]以上結合實施方式對本發(fā)明做了詳細說明，只為說明本發(fā)明的技術構思及特點， 其目的在于讓熟悉此項技術的人了解本發(fā)明的內容并加以實施，并不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡根據本發(fā)明精神實質所做的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內。
【主權項】
1.一種帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器，它包括硅襯底(1)、位于該硅襯底(1) 正面并具有加熱電阻(40)及多個測溫元件的薄膜結構，所述的硅襯底(1)具有絕熱空腔 (11)，所述薄膜結構的位于該絕熱空腔(11)上方的部分被定義為熱膜，其特征在于:所述的 薄膜結構具有分別位于所述熱膜上游側和下游側且用于將流經的流體整流為平流狀態(tài)并 增加薄膜結構與流體接觸面積的兩個整流結構(2)。2.根據權利要求1所述的帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器，其特征在于:所述的 整流結構包括多個凸臺(21)和多個凹槽(22)，所述的凸臺(21)和凹槽(22)彼此間隔設置， 凸臺(21)和凹槽(22 )的長度方向均沿著流體流向設置。3.根據權利要求1所述的帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器，其特征在于:所述的 薄膜結構包括第一層介質薄膜(3)、包括所述加熱電阻(40)及多個測溫元件的熱敏層、第二 層介質薄膜(5)、用于將上述加熱電阻(40)及多個測溫元件與外部信號控制與處理電路相 連接的信號引線(6)、鈍化層(7)。4.根據權利要求3所述的帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器，其特征在于:所述的 整流結構(2)包括多個凸臺(21)和多個凹槽(22)，所述的凸臺(21)和凹槽(22)彼此間隔設 置，每個所述凸臺(21)由熱敏長條凸起(44)、所述第二層介質薄膜(5)的位于所述熱敏長條 凸起(44)上方的部分、所述鈍化層(7)的位于所述熱敏長條凸起(44)上方的部分構成，每個 所述凹槽(22)由所述第二層介質薄膜(5)的位于相鄰兩個所述熱敏長條凸起(44)之間的部 分、所述鈍化層(7)的位于相鄰兩個所述熱敏長條凸起(44)之間的部分構成，所述的熱敏長 條凸起(44)的長度方向沿著流體流向設置。5.根據權利要求4所述的帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器，其特征在于:所述的 熱敏層還包括所述的熱敏長條凸起(44)。6.根據權利要求1所述的帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器，其特征在于:所述的 多個測溫元件包括設置在所述薄膜結構的邊緣并用于檢測流入到熱膜上流體的初始溫度 的至少一個第一測溫元件(41)、分布在所述加熱電阻(40)的兩側并用于分別檢測流體流經 加熱電阻(40)之前和之后的溫度的至少兩個第二測溫元件(42)。7.根據權利要求6所述的帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器，其特征在于:所述的 加熱電阻(40)和第二測溫元件(42)位于所述絕熱空腔(11)的上方。8.根據權利要求6所述的帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器，其特征在于:所述的 多個測溫元件還包括設置在所述加熱電阻(40)和所述第二測溫元件(42)之間的用于實時 檢測熱膜溫度的至少一個第三測溫元件(43)。9.根據權利要求1所述的帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器，其特征在于:所述的 加熱電阻(40 )及多個測溫元件的長度方向均垂直于流體流向設置。10.—種權利要求1-9中任一項所述的帶有整流結構的鏤空熱膜式流量傳感器的制作 方法，包括以下步驟:a.在硅襯底(1)的正面和背面分別生長第一層介質薄膜(3);b.在位于正面的所述第一層介質薄膜(3)上生長熱敏層薄膜，并圖形化形成加熱電阻 (40)、多個測溫元件以及多個熱敏長條凸起(44)，所述的熱敏長條凸起(44)的長度方向沿 著流體流向設置；c.生長第二層介質薄膜(5)，并圖形化，在對應加熱電阻(40)和測溫元件處分別形成多個引線孔(51);d.生長引線層薄膜，并圖形化，形成多個信號引線(6)，每個所述信號引線(6)—端通 過所述引線孔(51)連接加熱電阻或一個測溫元件；e.生長鈍化層(7)，并圖形化，在對應每個所述信號引線(6)的另一端處形成開孔(71) 使信號引線(6)從該開孔(71)露出；f.對硅襯底(1)背面進行腐蝕至熱膜露出，而形成絕熱空腔(11)。
【文檔編號】G01F1/86GK106092234SQ201610383122
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月2日 公開號201610383122.2, CN 106092234 A, CN 106092234A, CN 201610383122, CN-A-106092234, CN106092234 A, CN106092234A, CN201610383122, CN201610383122.2
【發(fā)明人】焦斌斌, 劉瑞文, 孔延梅
【申請人】蘇州容啟傳感器科技有限公司