一种MEMS气体差压传感器的制作方法

本发明涉及的是一种mems（微机电系统）气体差压传感器，特别是基于热导式原理，采用mems工艺实现的气体差压传感器，属于传感器技术领域。

背景技术：

差压传感器可以应用于管道中气体流量检测，比如在管道中添加孔板结构，在有气流通过时，会在孔板的上下游形成差压，也可以采用文丘里结构，有气流流过时，在管道较粗的位置和较细的位置也会形成差压；采用差压传感器测量差压的大小，即可推得管道中气体的流量；差压传感器还可以应用于空气净化器滤网堵塞层度的检测，堵塞越严重，滤网两侧形成的差压越大，采用差压传感器测得差压的大小，可以用于判断何时需要更换滤网。

现有差压传感器实现的方式有：（1）机械式结构，比如专利200910000717.5，采用纯机械结构，当存在差压时，两个弹性元件产生不同的形变，导致连杆运动，通过齿轮组实现指针转动；（2）隔膜结构，比如专利201310627068.8，差压导致隔膜形变，隔膜上设计有应变电阻，差压越大，隔膜的形变越大，压阻效应导致应变电阻的阻值变化越大，由应变电阻构成的惠斯通电桥的输出电压就越大；对于上述第一种方式，机械结构一般灵敏度较低，难以测出微小的差压；对于第二种方式，则可以实现较高的灵敏度，相对于第一种方式，还具有体积小，价格低廉等优势，但灵敏度仍然还不是很高。

技术实现要素：

本发明提出的是一种mems气体差压传感器，其目的旨在解决现有差压传感器灵敏度低的问题。

本发明的技术解决方案：mems气体差压传感器，其结构包括外壳10，密封橡胶圈11，芯片12，电路板13；其中，外壳10中间有一个凹槽，芯片12处在凹槽内，电路板13盖在凹槽上方，电路板13与外壳10之间有密封橡胶圈11。

本发明的优点：

1）相对于隔膜式差压传感器，能够检测低至0.1pa的微小差压，并且具有高灵敏度、零点漂移小、以及高动态响应速度等优点；

2）能够运用到医疗设备，以及供热通风与空气调节等应用领域。

附图说明

附图1是本发明的整体结构示意图。

附图2是芯片12的整体结构示意图。

附图3是芯片12感测区域结构示意。

附图4是芯片12背面结构示意图。

附图5是环境电阻2，加热电阻3，第一温度检测电阻4，第二温度检测电阻5之间的连接关系示意图。

附图6是恒温差电路示意图。

附图7是惠斯通电桥示意图。

附图8是整体结构剖面图。

附图中1是硅衬底，2是环境电阻，3是加热电阻，4是第一温度检测电阻，5是第二温度检测电阻，6是隔热槽，7是导线，8是引线焊盘，9是背腔，10是外壳，11是密封橡胶圈，12是芯片，13是电路板，14是固定螺丝，15差压检测口，b压力检测口16，17是ra电阻，18是rb电阻，19是rc电阻，20是rs电阻，21是r1电阻，22是r2电阻，23是r3电阻。

具体实施方式

mems气体差压传感器，其结构包括外壳10，密封橡胶圈11，芯片12，电路板13；其中，外壳10中间有一个凹槽，芯片12处在凹槽内，电路板13盖在凹槽上方，电路板13与外壳10之间有密封橡胶圈11。

所述电路板13与外壳10之间通过固定螺丝14固定连接，或者电路板13和外壳10之间直接采用密封胶粘接。

所述芯片12包括衬底1，环境电阻2，加热电阻3，第一温度检测电阻4，第二温度检测电阻5，四个隔热槽6，若干导线7，引线焊盘8，背腔9；其中，环境电阻2、加热电阻3、第一温度检测电阻4、第二温度检测电阻5处在衬底1的正面；加热电阻3、第一温度检测电阻4、第二温度检测电阻5并排放置，加热电阻3处在第一温度检测电阻4和第二温度检测电阻5之间，四个隔热槽6分别处在第一温度检测电阻4的左边、第一温度检测电阻4与加热电阻3之间、加热电阻3与第二温度检测电阻5之间、第二温度检测电阻5的右边，衬底1的背面有背腔9，四个隔热槽6贯穿芯片12的上下表面，四个隔热槽6的位置正对着背腔9。

所述衬底1是硅衬底、陶瓷衬底、玻璃衬底、pcb基板衬底中的一种，优选为硅衬底。

所述环境电阻2、加热电阻3、第一温度检测电阻4、第二温度检测电阻5的材料均为铂、铜、镍、锰、铑中的一种，环境电阻2、加热电阻3、第一温度检测电阻4、第二温度检测电阻5具有相同的温度系数。

所述环境电阻2、加热电阻3、第一温度检测电阻4、第二温度检测电阻5的制作方法均为以下几种方法中的一种；方法一：采用物理气相沉积、或化学气相沉积、或金属箔与衬底压合的方法在衬底1上形成金属薄膜，再采用刻蚀工艺去除多余的金属薄膜，形成环境电阻2和加热电阻3和第一温度检测电阻4和第二温度检测电阻5；方法二：采用剥离（lift-off）工艺，即采用光刻胶形成几何图形，然后通过蒸发、溅射等方法，在基片表面获得不连续的金属层，最后剥离掉掩膜层及其上金属层，比如，光刻定义出加热电阻丝、引线、电极的图形，然后溅射一层0.2微米厚的钛铂，最后丙酮去胶后形成了加热电阻丝、引线、电极，从而形成环境电阻2和加热电阻3和第一温度检测电阻4和第二温度检测电阻5，所用光刻胶的厚度优选为8微米。

为了避免气体中的水分对环境电阻2，加热电阻3，第一温度检测电阻4，第二温度检测电阻5的影响，需要增加绝缘层，可以在整个芯片12的上表面喷涂有机绝缘材料，或者蒸镀二氧化硅、氮化硅等绝缘材料。

进一步的，所述芯片12优选采用硅为衬底，生长二氧化硅与氮化硅复合膜，采用剥离（lift-off）工艺，首先形成光刻胶图形，再利用磁控溅射形成铂薄膜，最后丙酮去胶后形成铂电阻；再次生长二氧化硅与氮化硅复合膜，对铂电阻进行绝缘保护，芯片的背面采用氢氧化钾溶液进行背腔腐蚀，减小热量通过衬底的传输。

所述环境电阻2，加热电阻3，第一温度检测电阻4，第二温度检测电阻5总共能够引出4-8个引线焊盘8，环境电阻2，加热电阻3，第一温度检测电阻4，第二温度检测电阻5都能够独立引出2个焊盘，这样就能够引出8个引线焊盘，引线焊盘8采用引线键合的方式与电路板13相连接；四个电阻根据工作电路需要有一定的连接，则可以在芯片上采用电阻率低、温度系数低的金属，优选金或者铝，并采用宽度为20um以上的走线制作连接用的导线7，优选环境电阻2，加热电阻3，第一温度检测电阻4，第二温度检测电阻5之间通过若干导线7连接引出六个引线焊盘8，如图5，六个引线焊盘8的定义从左往右依次为：环境电阻2与加热电阻3公共端、第一温度检测电阻端、第一温度检测电阻4与第二温度检测电阻5公共端、第二温度检测电阻端、加热电阻端、环境电阻端；并且将六个引线焊盘8远离感测区域，所述感测区域指环境电阻2、加热电阻3、第一温度检测电阻4、第二温度检测电阻5所处的范围，便于封装时采用点胶的方式对引线键合区域进行保护，提高可靠性。

工作时，所述芯片12放置于需要检测气体流量压差的管道中，管道的两个压力检测口分别与外壳10上的a压力检测口15和b压力检测口16相接，当a压力检测口15和b压力检测口不存在差压时，则管道内不能形成气流，加热电阻3形成一个稳定的对称的温度场，则第一温度检测电阻4和第二温度检测电阻5检测到相同的温度；当a压力检测口15和b压力检测口16存在差压时，则会在管道内部形成微小的气流，加热电阻3形成非对称的温度场，处于气流下游的温度检测电阻测量的温度变高，处于气流上游的温度检测电阻测量的温度变低，第一温度检测电阻4和第二温度检测电阻5测得的温差越大，差压越大，通过测得的温差大小，即可推得差压的大小；加热电阻3产生的热量既可以通过被测气体，也可以通过衬底1传导至第一温度检测电阻4和第二温度检测电阻5；理论上，热量完全通过气体传导，差压传感器具有更高的灵敏度以及更高的能效，所以,在衬底1的背部采用腐蚀或者机械加工的方法制作空腔结构的背腔9，更进一步在加热电阻3和第一温度检测电阻4、第二温度检测电阻5之间及两边采用腐蚀或机械加工的方法制作完全贯穿的隔热槽6，从而减小热量通过衬底材料进行热传导。

采用金线键合工艺将芯片12与电路板13形成电气连接。

所述电路板13上包含电源电路、恒温差驱动电路、以及惠斯通电桥电路，采用带有可编程放大器的24位模数转换芯片，对惠斯通电桥输出的电压信号进行放大并进行模数转换，转换结果进入stm8l152单片机，根据标定数据，输出差压的数值，所述电源电路给恒温差驱动电路和惠斯通电桥电路供电。

所述芯片12上的加热电阻3能够在恒流、恒压、恒功率、恒温差等几种电路模式下的任一种电路模式下工作；其中，恒温差模式能够消除被测气体温度变化带来的影响，即能够实现温度自动补偿，本发明优选采用恒温差驱动电路来实现差压的检测；采用芯片12上的环境电阻2和加热电阻3，再加上ra电阻17、rb电阻18、rc电阻19、rs电阻20和运放，便可形成恒温差驱动电路，所述ra、rb、rc、rs分别为固定在电路板13上的具有固定阻值的ra电阻、rb电阻、rc电阻、rs电阻的电阻值，如图6所示；恒温差实现的条件为：ra/rb=rr/rh，rc=αrr0δt，其中α为芯片12上环境电阻2，加热电阻3，第一温度检测电阻4，第二温度检测电阻5的温度系数，rr为环境电阻2的电阻值，rh为加热电阻3的电阻值，是环境电阻2在零摄氏度时的电阻值，加热电阻3工作时，加热电阻3的温度总是比被检测气体温度高δt。

如附图7，第一温度检测电阻4、第二温度检测电阻5、r1电阻、r2电阻、r3电阻形成惠斯通电桥，其中，r1电阻与第一温度检测电阻4串联，r2电阻与第二温度检测电阻5串联，再一起与r3电阻串联；第一温度检测电阻4的电阻值为ru，第二温度检测电阻5的电阻值为rd，所述r1、r2、r3分别为固定在电路板13上的具有固定阻值的r1电阻21、r2电阻22、r3电阻23的电阻值，差压越大，第一温度检测电阻4和第二温度检测电阻5测得的温差越大，惠斯通电桥输出的电压越大，输出的电压经过可编程放大器（pga）进行放大，再经过模数转换（adc）进入微处理器(mcu)，微处理器根据标定数据，采用模拟信号或数字信号输出差压的数值,此电路还可以测量正负差压，惠斯通电桥输出响应的正电压或负电压。

工作时，所述芯片12放置于需要检测气体流量压差的管道中，管道的两个压力检测口分别与外壳10上的a压力检测口15和b压力检测口16相接，当a压力检测口15和b压力检测口16不存在差压时，则管道内不能形成气流，加热电阻3形成一个稳定的对称的温度场，则第一温度检测电阻4和第二温度检测电阻5检测到相同的温度；当a压力检测口15和b压力检测口16存在差压时，则会在管道内部形成微小的气流，加热电阻3形成非对称的温度场，处于气流下游的温度检测电阻测量的温度变高，处于气流上游的温度检测电阻测量的温度变低，第一温度检测电阻4和第二温度检测电阻5测得的温差越大，差压越大，通过测得的温差大小，即可推得差压的大小；加热电阻3产生的热量既可以通过被测气体，也可以通过衬底1传导至第一温度检测电阻4和第二温度检测电阻5。

工作时，整个mems气体差压传感器处在所需要检测气体流量压差的管道内，所述芯片12放在mems气体差压传感器内处于管道的侧壁，当两个压力检测口存在差压时，在管道内形成微小气流，微小气流流经芯片12表面，通过相应的电路板13即可测得差压的大小。

本发明是基于热导式原理的差压传感器相对于隔膜式差压传感器，具有更高的灵敏度，更高的零点稳定性，更快的响应速度，能够检测低至0.1pa的微小差压。采用恒温差驱动电路，能够自动补偿被测气体温度的影响。