带有整流结构的镂空热膜式流量传感器及其制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种带有整流结构的镂空热膜式流量传感器及其制作方法。带有整流结构的镂空热膜式流量传感器，它包括硅衬底、位于该硅衬底正面并具有加热电阻及多个测温元件的薄膜结构，硅衬底具有绝热空腔，薄膜结构的位于该绝热空腔上方的部分被定义为热膜，薄膜结构具有分别位于热膜上游侧和下游侧且用于将流经的流体整流为平流状态并增加薄膜结构与流体接触面积的两个整流结构。带有整流结构的设计，一方面可将流经热膜的待测流体整流为平流状态，从而提高其探测精度，另一方面增大了待测流体与热膜的接触面积，因此提高了换热效率，从而使得探测灵敏度得到提高。
【专利说明】
带有整流结构的镂空热膜式流量传感器及其制作方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种基于MEMS技术的带有整流结构的镂空热膜式流量传感器及其制作方法，属于微细加工领域。【背景技术】
[0002]流量测量在能源、生物、汽车、航空航天、科研、工业过程控制等领域都有着极为广泛的应用，如能源领域的水、天然气、蒸汽和油品等常用的能源监测，生物技术中血液，尿液等监测;汽车发动机的进气量监测等领域，都使用着数量极其庞大的流量计，它们是能源管理、高效利用、经济核算不可缺少的工具。也是高效利用能源，实现节能降耗，减小环境污染，改进产品质量，提高经济效益和管理水平的重要工具，在国民经济中占有重要的地位。 不同应用的流量计，其工作原理也不同，主要工作原理有力学原理、热学原理、声学原理、光学原理等。
[0003]热式流量计是在早期热线风速计的基础上发展起来的一种新型流量计，基于热学原理，S卩Thomas提出的“气体的放热量与吸热量与该气体的质量流量成正比”的理论进行工作的，因其具有测量精度高，响应快等优点，目前已广泛应用于航空、航天、能源、医学、汽车工业以及天然气管道运输等行业。热式流量计可分为热线式流量计和热膜式流量计，其主要工作方式有恒温差式和恒流式，通过不同的信号控制与处理电路实现。
[0004]热线式流量计通常由感知空气流量的热敏丝(热线)和对进气温度进行修正的温度补偿热敏丝(冷线)构成，利用热线与空气之间的热传递进行质量流量测量。热线式流量计较传统流量计，可直接测得进气空气的质量流量，无需压力补偿等部件，具有进气阻力小、响应特性好、测量精度高等特点。但通常热敏丝暴露在空气中，这样使得长时间使用后热敏丝被空气中颗粒污染，造成测量精度下降，另一方面在高速流动时，空气中的沙粒容易击断热丝，造成传感器失效;此外，热线一致性较差，使得批量生产较困难。热膜式流量传感器采用MEMS技术制作，产品一致性好，易于批量生产，成本低，不易污染。其工作原理为，被测流体流经热膜，与热膜发生热交换，从而造成热膜上局部的温度发生改变，通过制作在热膜上的热敏电阻探测该温度变化量，从而测试出了待测流体的质量流量。待测流体与热膜的热交换效率越高，探测灵敏度越高。相同质量流量的流体，参与换热的表面积越大，其换热越多。
【发明内容】
[0005]为了解决现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种带有整流结构的镂空热膜式流量传感器及其制作方法。[〇〇〇6]为了达到上述目的，本发明提供了一种带有整流结构的镂空热膜式流量传感器， 它包括硅衬底、位于该硅衬底正面并具有加热电阻及多个测温元件的薄膜结构，硅衬底具有绝热空腔，薄膜结构的位于该绝热空腔上方的部分被定义为热膜，薄膜结构具有分别位于热膜上游侧和下游侧且用于将流经的流体整流为平流状态并增加薄膜结构与流体接触面积的两个整流结构。
[0007]进一步地，整流部包括多个凸台和多个凹槽，凸台和凹槽彼此间隔设置，凸台和凹槽的长度方向均沿着流体流向设置。
[0008]进一步地，薄膜结构包括第一层介质薄膜、包括加热电阻及多个测温元件的热敏层、第二层介质薄膜、用于将上述加热电阻及多个测温元件与外部信号控制与处理电路相连接的信号引线、钝化层。
[0009]更进一步地，整流结构包括多个凸台和多个凹槽，凸台和凹槽彼此间隔设置，每个凸台由热敏长条凸起、第二层介质薄膜的位于热敏长条凸起上方的部分、钝化层的位于热敏长条凸起上方的部分构成，每个凹槽由第二层介质薄膜的位于相邻两个热敏长条凸起之间的部分、钝化层的位于相邻两个热敏长条凸起之间的部分构成，热敏长条凸起的长度方向沿着流体流向设置。
[0010]更进一步地，热敏层还包括热敏长条凸起。
[0011]进一步地，多个测温元件包括设置在薄膜结构的边缘并用于检测流入到热膜上流体的初始温度的至少一个第一测温元件、分布在加热电阻的两侧并用于分别检测流体流经加热电阻之前和之后的温度的至少两个第二测温元件。
[0012]更进一步地，加热电阻和第二测温元件位于绝热空腔的上方。
[0013]更进一步地，多个测温元件还包括设置在加热电阻和第二测温元件之间的用于实时检测热膜温度的至少一个第三测温元件。
[0014]进一步地，加热电阻及多个测温元件的长度方向均垂直于流体流向设置。
[0015]本发明还提供了另一种技术方案:一种上述的带有整流结构的镂空热膜式流量传感器的制造方法，包括以下步骤:a.在硅衬底的正面和背面分别生长第一层介质薄膜；b.在位于正面的第一层介质薄膜上生长热敏层薄膜，并图形化形成加热电阻、多个测温元件以及多个热敏长条凸起，热敏长条凸起的长度方向沿着流体流向设置；c.生长第二层介质薄膜，并图形化，在对应加热电阻和测温元件处分别形成多个引线孔；d.生长引线层薄膜，并图形化，形成多个信号引线，每个信号引线一端通过引线孔连接加热电阻或一个测温元件；e.生长钝化层，并图形化，在对应每个信号引线的另一端处形成开孔使信号引线从该开孔露出；f.对硅衬底背面进行腐蚀至热膜露出，而形成绝热空腔。
[0016]由于采用了上述技术方案，本发明带有整流结构的镂空热膜式流量传感器及其制作方法，具有如下优点:1.带有整流结构的设计，一方面可将流经热膜的待测流体整流为平流状态，从而提高其探测精度，另一方面增大了待测流体与热膜的接触面积，因此提高了换热效率，从而使得探测灵敏度得到提高；2.质量流量传感器使用微细加工技术进行加工，因此其整体体积小，易于批量化生产，成本低。【附图说明】
[0017]附图1为本实施例中镂空热膜式流量传感器的立体结构示意图；附图2为附图1中的AA ’剖面结构示意图；附图3为附图1中的BB ’剖面结构示意图；附图4为附图1中的CC ’剖面结构示意图；附图5为本实施例中带有整流结构的镂空热膜式流量传感器的制造方法的步骤a的结构示意图；附图6为本实施例中带有整流结构的镂空热膜式流量传感器的制造方法的步骤b的结构示意图；附图7为本实施例中带有整流结构的镂空热膜式流量传感器的制造方法的步骤b中整流部的结构示意图；附图8为本实施例中带有整流结构的镂空热膜式流量传感器的制造方法的步骤c的结构示意图；附图9为本实施例中带有整流结构的镂空热膜式流量传感器的制造方法的步骤c中整流部的结构示意图；附图10为本实施例中带有整流结构的镂空热膜式流量传感器的制造方法的步骤d的结构示意图；附图11为本实施例中带有整流结构的镂空热膜式流量传感器的制造方法的步骤e的结构示意图；附图12为本实施例中带有整流结构的镂空热膜式流量传感器的制造方法的步骤e中整流部的结构示意图；附图13为本实施例中带有整流结构的镂空热膜式流量传感器的制造方法的步骤f的结构示意图。
[0018]图中标号为:1、硅衬底；11、绝热空腔;2、整流结构;21、凸台；22、凹槽;3、第一层介质薄膜;40、加热电阻;41、第一测温元件;42、第二测温元件;43、第三测温元件;44、热敏长条凸起;5、第二层介质薄膜;51、引线孔;6、信号引线;7、钝化层;71、开孔。【具体实施方式】[〇〇19]下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。
[0020]参见附图1至附图4,本实施例中的带有整流结构的镂空热膜式流量传感器，它包括硅衬底1、位于该硅衬底1正面并具有加热电阻40及多个测温元件的薄膜结构，硅衬底1具有绝热空腔11，薄膜结构的位于该绝热空腔11上方的部分被定义为热膜，薄膜结构具有分别位于热膜上游侧和下游侧的两个整流结构2,该整流结构2用于将流经的流体整流为平流状态，并用于增加薄膜结构与流体接触面积，从而提高了热膜与流体的换热效率。上述的上游侧和下游侧根据流体流向来定义，本实施例中，流体沿左右方向流动。[0021 ]上述的绝热空腔11位于硅衬底1的中央部位，绝热空腔11穿透硅衬底1，使热膜的下表面从绝热空腔11露出。
[0022]上述的薄膜结构包括第一层介质薄膜3、热敏层、第二层介质薄膜5、用于将上述加热电阻40及多个测温元件与外部信号控制与处理电路相连接的信号引线6、钝化层7。
[0023]第一层介质薄膜3厚度为0.3wii?2wii，材料优选为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，还可以为氧化硅与氮化硅复合膜。
[0024]热敏层材料优选为掺杂非晶硅、掺杂单晶硅、掺杂多晶硅、氧化钒中的一种，或其中几种的复合材料，还可以为11^附、(>中的一种，或其中几种组成的复合材料，还可以为P-Si/n-Si或Si/Al等热电偶材料，还可以为Si/GeSi超晶格，还可以为PN结。[〇〇25] 热敏层包括上述的加热电阻40及多个测温元件。热敏层还包括下文将要进行具体描述的热敏长条凸起44。[〇〇26]多个测温元件包括设置在薄膜结构边缘的至少一个第一测温元件41，用于检测流入到热膜上流体的初始温度。如附图1所示的本实施例中，第一测温元件41有两个，分别设置在热膜结构的相对的两个边缘处(以下称为左边缘和右边缘)，当流体从左边缘流入时， 则位于左边缘的第一测温元件41工作，当流体从右边缘流入时，则位于右边缘的第一测温元件41工作。[〇〇27]多个测温元件还包括分布在加热电阻40两侧的至少两个第二测温元件42,用于分别检测流体流经加热电阻40之前和之后的温度。如附图1所示的本实施例中，第二测温元件 42有两个，分别设置在加热电阻40的左右两侧，分别命名为左测温元件和右测温元件。 [〇〇28] 优选地，多个测温元件还包括设置在加热电阻40和第二测温元件42之间的至少一个第三测温元件43,用于实时检测热膜温度，本实施例中的第三测温元件43有两个，分别设置在两个第二测温元件42与第一测温元件41之间。[〇〇29] 加热电阻40和第二测温元件42以及第三测温元件43位于绝热空腔111的上方，即加热电阻40和第二测温元件42、第三测温元件43属于热膜的一部分，而第一测温元件41则位于硅衬底1的除绝热空腔11以外之部分的上方。
[0030]优选地，加热电阻40及多个测温元件的长度方向均垂直于流体流向设置。[0031 ]第二层介质薄膜5厚度为0.2wii?lym，材料优选为氧化娃、氮化娃或氮氧化娃，还可以为氧化硅与氮化硅复合膜。第二层介质薄膜5上具有多个贯穿第二层介质薄膜5的引线孔51，多个引线孔51的位置分别对应加热电阻40的端部和多个测温元件的端部。[〇〇32]信号引线6材料优选41、!^^1^11等金属材料及其合金或掺杂多晶硅、锗等低阻半导体材料。信号引线6的一端通过引线孔51与加热电阻40或测温元件相连接。
[0033]钝化层7厚度为0.3ym?2ym，材料优选为氧化娃、氮化娃或氮氧化娃，还可以为氧化硅与氮化硅复合膜。钝化层7具有多个贯穿钝化层7的多个开孔71，多个开孔71的位置分别对应各信号引线6的另一端，从而信号引线6的另一端能够通过开孔71与外部信号控制与处理电路相连接。
[0034]上述的整流结构包括多个凸台21和多个凹槽22,凸台21和凹槽22彼此间隔设置， 凸台21和凹槽22的长度方向均沿着流体流向设置。每个凸台21由热敏长条凸起44、第二层介质薄膜5的位于热敏长条凸起44上方的部分、钝化层7的位于热敏长条凸起44上方的部分构成。每个凹槽22由第二层介质薄膜5的位于相邻两个热敏长条凸起44之间的部分、钝化层 7的位于相邻两个热敏长条凸起44之间的部分构成，热敏长条凸起44的长度方向沿着流体流向设置。
[0035]本带有整流结构的镂空热膜式流量传感器的工作原理为:通过外部信号控制与处理电路进行控制，使得热膜的温度始终高于进入流量传感器的被测流体的温度，且温差始终保持恒定值。加热电阻40左右对称分布第二测温元件42,形成惠斯通电桥，用于测量流体的质量流量。当流体经过时，流体被整流结构2整流为平流状态，位于加热电阻40上游的第二测温元件42(根据流体的流向，为左测温元件和右测温元件中的一个)，由于流体温度小于热膜温度，上游的第二测温元件42的部分热量被流体带走，造成该第二测温元件42处的温度降低，对于正温度系数的第二测温元件42,其阻值降低;而位于加热电阻下游的第二测温元件42(根据流体的流向，为左测温元件和右测温元件中的另一个)，由于流体经过加热电阻40实现了加热，当其经过下游的第二测温元件42处时，进行热交换，使得下游第二测温元件42被加热而温度升高，同样对于正温度系数的第二测温元件42，其阻值增大，通过外部信号控制与处理电路检测上下游第二测温元件42的减小和增大量，从而实现了经过流量传感器的流体的流量测量。
[0036]参照附图5至附图13,一种上述带有整流结构的镂空热膜式流量传感器的制造方法，并采用的上文所述的材料制作相应的部件，相应部件的厚度和深度等尺寸按照上文所示的对应尺寸制作，该制作方法包括以下步骤:a.在硅衬底1的正面和背面分别生长第一层介质薄膜3，如附图5所示；b.在位于正面的第一层介质薄膜3上生长热敏层薄膜，并图形化形成加热电阻40、多个测温元件以及多个热敏长条凸起44,加热电阻40、多个测温元件的长度方向垂直于流体流向设置，热敏长条凸起44的长度方向沿着流体流向设置，如附图6和附图7所示；c.生长第二层介质薄膜5,并图形化，在对应加热电阻40和测温元件处分别形成多个引线孔51，如附图8和附图9所示；d.生长引线层薄膜，并图形化，形成多个信号引线6,每个信号引线6—端通过引线孔 51连接加热电阻或一个测温元件，如附图10所示；e.生长钝化层7,并图形化，在对应每个信号引线6的另一端处形成开孔71使信号引线 6从该开孔71露出，如附图11和附图12所示；f.对硅衬底1背面进行腐蚀至热膜露出，而形成绝热空腔11，如附图13所示。
[0037]本带有整流结构的镂空热膜式流量传感器及其制作方法，具有如下优点:1.带有整流结构的设计，一方面可将流经热膜的待测流体整流为平流状态，从而提高其探测精度，另一方面增大了待测流体与热膜的接触面积，因此提高了换热效率，从而使得探测灵敏度得到提高；2.质量流量传感器使用微细加工技术进行加工，因此其整体体积小，易于批量化生产，成本低。[〇〇38]以上结合实施方式对本发明做了详细说明，只为说明本发明的技术构思及特点， 其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限定本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种带有整流结构的镂空热膜式流量传感器，它包括硅衬底(1)、位于该硅衬底(1) 正面并具有加热电阻(40)及多个测温元件的薄膜结构，所述的硅衬底(1)具有绝热空腔 (11)，所述薄膜结构的位于该绝热空腔(11)上方的部分被定义为热膜，其特征在于:所述的 薄膜结构具有分别位于所述热膜上游侧和下游侧且用于将流经的流体整流为平流状态并 增加薄膜结构与流体接触面积的两个整流结构(2)。2.根据权利要求1所述的带有整流结构的镂空热膜式流量传感器，其特征在于:所述的 整流结构包括多个凸台(21)和多个凹槽(22)，所述的凸台(21)和凹槽(22)彼此间隔设置， 凸台(21)和凹槽(22 )的长度方向均沿着流体流向设置。3.根据权利要求1所述的带有整流结构的镂空热膜式流量传感器，其特征在于:所述的 薄膜结构包括第一层介质薄膜(3)、包括所述加热电阻(40)及多个测温元件的热敏层、第二 层介质薄膜(5)、用于将上述加热电阻(40)及多个测温元件与外部信号控制与处理电路相 连接的信号引线(6)、钝化层(7)。4.根据权利要求3所述的带有整流结构的镂空热膜式流量传感器，其特征在于:所述的 整流结构(2)包括多个凸台(21)和多个凹槽(22)，所述的凸台(21)和凹槽(22)彼此间隔设 置，每个所述凸台(21)由热敏长条凸起(44)、所述第二层介质薄膜(5)的位于所述热敏长条 凸起(44)上方的部分、所述钝化层(7)的位于所述热敏长条凸起(44)上方的部分构成，每个 所述凹槽(22)由所述第二层介质薄膜(5)的位于相邻两个所述热敏长条凸起(44)之间的部 分、所述钝化层(7)的位于相邻两个所述热敏长条凸起(44)之间的部分构成，所述的热敏长 条凸起(44)的长度方向沿着流体流向设置。5.根据权利要求4所述的带有整流结构的镂空热膜式流量传感器，其特征在于:所述的 热敏层还包括所述的热敏长条凸起(44)。6.根据权利要求1所述的带有整流结构的镂空热膜式流量传感器，其特征在于:所述的 多个测温元件包括设置在所述薄膜结构的边缘并用于检测流入到热膜上流体的初始温度 的至少一个第一测温元件(41)、分布在所述加热电阻(40)的两侧并用于分别检测流体流经 加热电阻(40)之前和之后的温度的至少两个第二测温元件(42)。7.根据权利要求6所述的带有整流结构的镂空热膜式流量传感器，其特征在于:所述的 加热电阻(40)和第二测温元件(42)位于所述绝热空腔(11)的上方。8.根据权利要求6所述的带有整流结构的镂空热膜式流量传感器，其特征在于:所述的 多个测温元件还包括设置在所述加热电阻(40)和所述第二测温元件(42)之间的用于实时 检测热膜温度的至少一个第三测温元件(43)。9.根据权利要求1所述的带有整流结构的镂空热膜式流量传感器，其特征在于:所述的 加热电阻(40 )及多个测温元件的长度方向均垂直于流体流向设置。10.—种权利要求1-9中任一项所述的带有整流结构的镂空热膜式流量传感器的制作 方法，包括以下步骤:a.在硅衬底(1)的正面和背面分别生长第一层介质薄膜(3);b.在位于正面的所述第一层介质薄膜(3)上生长热敏层薄膜，并图形化形成加热电阻 (40)、多个测温元件以及多个热敏长条凸起(44)，所述的热敏长条凸起(44)的长度方向沿 着流体流向设置；c.生长第二层介质薄膜(5)，并图形化，在对应加热电阻(40)和测温元件处分别形成多个引线孔(51);d.生长引线层薄膜，并图形化，形成多个信号引线(6)，每个所述信号引线(6)—端通 过所述引线孔(51)连接加热电阻或一个测温元件；e.生长钝化层(7)，并图形化，在对应每个所述信号引线(6)的另一端处形成开孔(71) 使信号引线(6)从该开孔(71)露出；f.对硅衬底(1)背面进行腐蚀至热膜露出，而形成绝热空腔(11)。
【文档编号】G01F1/86GK106092234SQ201610383122
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月2日 公开号201610383122.2, CN 106092234 A, CN 106092234A, CN 201610383122, CN-A-106092234, CN106092234 A, CN106092234A, CN201610383122, CN201610383122.2
【发明人】焦斌斌, 刘瑞文, 孔延梅
【申请人】苏州容启传感器科技有限公司