Mems传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种MEMS传感器，该装置包括玻璃基底以及形成在玻璃基底上的硅衬底，在硅衬底内形成有两个空腔，空腔顶壁的硅衬底形成梁；传感器还包括形成在硅衬底的第一结构至第八结构；还包括形成在硅衬底上位于第一结构以及第八结构之间的加热电阻；其中，第一至第八结构之间按照预设的规则导电连接；所述传感器还包括若干第一导热薄膜以及第二导热薄膜。通过第一至第八结构以及第一导热薄膜、第二导热薄膜之间的相互配合，在气流通过的时候能够一次性同时测得四种热力参数，有效减小了MEMS传感器的尺寸大小，使其更适用于在微小通道流动中测量。
【专利说明】
MEMS传感器
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及热力检测技术领域，具体涉及一种MEMS传感器。
【背景技术】
[0002] 目前，MEMS传感器(Micro-Electro-Mechanical System)由于其微小集成化等特 点较为广泛的应用于热力参数的测量。然而现在MEMS传感器都是测量单一的数据，如测量 流量、压力、温度、热流等参数。若想要同一时间测量多个参数，则需要在MEMS上设置多个测 量单元，无法集成在一起，影响MEMS的尺寸大小，违背了MEMS的微小集成化的设计初衷，使 其无法应用于微小通道内流体的热力参数测量。 【实用新型内容】
[0003] 本实用新型要解决的技术问题是:解决如何提供一种能够同时集成多个热力参数 测量的MEMS传感器的问题。
[0004] 为实现上述的实用新型目的，本实用新型提供了一种MEMS传感器
[0005] 包括:包括玻璃基底以及形成在所述玻璃基底上的硅衬底，在所述硅衬底内形成 有两个空腔，空腔顶壁的硅衬底形成梁；
[0006] 所述传感器还包括形成在硅衬底非梁区域上的第一结构、第二结构、第七结构以 及第八结构;在所述梁上还形成有第三结构、第四结构、第五结构、第六结构;所述传感器还 包括形成在硅衬底上位于第一结构以及第八结构之间的加热电阻；
[0007] 其中，第一结构与第二结构导电连接，第三结构与第四结构导电连接，第五结构与 第六结构导电连接，第七结构与第八结构导电连接，第一结构还与第八结构导电连接，第二 结构还与第七结构导电连接；
[0008] 第一结构、第二结构、第七结构、第八结构为温敏器件，第三结构、第四结构、第五 结构、第六结构为温敏与压敏耦合器件；
[0009] 所述传感器还包括形成在第一结构以及第八结构上表面的第一导热薄膜，形成在 第二结构以及第七结构上的第二导热薄膜，以及形成在硅衬底表面位于第五结构以及第六 结构之间的第一导热薄膜。
[0010]优选地，所述第一结构、第二结构、第七结构、第八结构为温敏电阻或铂材料薄膜； [0011]所述第三结构、第四结构、第五结构、第六结构为压敏电阻。
[0012] 优选地，第一结构、第二结构、第七结构以及第八结构中每种结构的数量均为至少 八个;第三结构、第四结构、第五结构、第六结构中每种结构的数量均为至少四个；
[0013] 其中，第一结构与第二结构通过构成惠斯通电桥从而导电连接，第三结构与第四 结构通过构成惠斯通电桥从而导电连接，第五结构与第六结构通过构成惠斯通电桥从而导 电连接，第七结构与第八结构通过构成惠斯通电桥从而导电连接，第一结构与第八结构通 过构成惠斯通电桥从而导电连接，第二结构与第七结构通过构成惠斯通电桥从而导电连 接。
[0014]优选地，所述第一导热薄膜的材料为二氧化硅，第二导热薄膜的材料为氮化硅。 [0015]优选地，所述第一结构、第二结构、第七结构、第八结构为温敏电阻或铂材料薄膜；
[0016] 所述第三结构、第四结构、第五结构、第六结构为压敏电阻。
[0017] 本实用新型提供了一种MEMS传感器，该传感器在硅衬底上集成了器件类型不同的 第一至第八结构，通过第一至第八结构的相互配合，在气流通过的时候能够一次性同时测 得气流的流量、压力、温度以及热流这四种热力参数，有效减小了 MEMS传感器的尺寸大小， 使其更适用于在微小通道流动中测量。
【附图说明】
[0018] 通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通 技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用 新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
[0019] 图1是本实用新型实施方式提供的MEMS传感器结构示意图；
[0020] 图2是本实用新型实施方式提供的MEMS传感器俯视结构示意图；
[0021 ]图3是本实用新型实施方式提供的基于MEMS传感器流量测试示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图和实施例，对本实用新型的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下 实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
[0023]如图1所示，本实用新型实施方式提供了一种MEMS传感器，包括玻璃基底1以及形 成在玻璃基底1上的硅衬底2，在硅衬底2内形成有两个空腔，空腔顶壁的硅衬底2形成梁3; [0024]传感器还包括形成在硅衬底2非梁3区域上的第一结构41、第二结构42、第七结构 47以及第八结构48;在梁3上还形成有第三结构43、第四结构44、第五结构45、第六结构46; 传感器还包括形成在硅衬底2上位于第一结构41以及第八结构48之间的加热电阻5;
[0025]其中，第一结构41、第二结构42、第七结构47、第八结构48为温敏器件，第三结构 43、第四结构44、第五结构45、第六结构46为温敏与压敏耦合器件;第一结构41与第二结构 42导电连接，第三结构43与第四结构44导电连接，第五结构45与第六结构46导电连接，第七 结构47与第八结构48导电连接，第一结构41还与第八结构48导电连接，第二结构42还与第 七结构47导电连接；
[0026]此外，传感器还包括形成在第一结构41以及第八结构48上表面的第一导热薄膜 61，形成在第二结构42以及第七结构47上的第二导热薄膜62,以及形成在硅衬底2表面位于 第五结构45以及第六结构46之间的第一导热薄膜61。
[0027]本实用新型实施方式提供的一种MEMS传感器在硅衬底2上集成了器件类型不同的 第一结构41至第八结构48,通过第一结构41至第八结构48的相互配合，在气流通过的时候 能够一次性同时测得气流的流量、压力、温度以及热流这四种热力参数，有效减小了MEMS传 感器的尺寸大小，使其更适用于在微小通道流动中测量。
[0028] 在具体实施时，第一结构41、第二结构42、第七结构47、第八结构48为温敏电阻，也 可以用铂材料薄膜来替代;第三结构43、第四结构44、第五结构45、第六结构46为压敏电阻。 [0029]在具体实施时，第一结构41、第二结构42、第七结构47以及第八结构48中每种结构 的数量均为至少八个;第三结构43、第四结构44、第五结构45、第六结构46中每种结构的数 量均为至少四个；
[0030] 其中，如图2所示，至少两个第一结构41(也即图2示出的R1)与至少两个第二结构 42(也即图2示出的R2)通过构成惠斯通电桥(也即图2示出的"8"字形结构)从而进行导电连 接。需要说明的是，R1与R2构成的惠斯通电桥中还包括电源，以图2中左下角R1与R2构成的 惠斯通电桥为例，电源的两端分别连接在a节点和c节点上，从而为该电桥提供电能。由于惠 斯通电桥中包括电源是本领域技术人员的公知常识，为了能够使图2更清晰的展现本实用 新型实施方式提供的MEMS结构，在图2中并未示出电源。与第一结构41和第二结构42类似， 至少两个第三结构43与至少两个第四结构44通过构成惠斯通电桥从而导电连接;至少两个 第五结构45与至少两个第六结构46通过构成惠斯通电桥从而导电连接;至少两个第七结构 47与至少两个第八结构48通过构成惠斯通电桥从而导电连接。此外，在加热电阻5的两端， 还连接有电源。
[0031] 在具体实施时，上述第一结构至第八结构均通过导线连接，导线连接的形式均由 磁控溅射金属铝实现。
[0032]需要说明的是，在本实用新型实施方式提供的MEMS传感器上除了包括与第二结构 42连接的至少两个第一结构41，还包括至少两个与第八结构48通过构成惠斯通电桥从而导 电连接的第一结构41。类似地，还包括至少两个与第七结构47通过构成惠斯通电桥从而导 电连接的至少两个第二结构42。
[0033]此外，在具体实施时，第一导热薄膜61的材料为二氧化硅，第二导热薄膜62的材料 为氮化硅。可以理解的是，第一导热薄膜61以及第二导热薄膜62的材料也可以为其他两种 热阻不同的材料，并且差距尽可能的大，本实用新型对此不做具体限定。
[0034]本实用新型实施方式提供的MEMS传感器还可以用于对气流的热流、压力、温度以 及流量这四个热力参数进行测量。具体测量方法说明如下：
[0035] (1)热流值测量
[0036]位于第一结构41与第二结构42上方的第一导热薄膜61以及第二导热薄膜62的导 热系数不同，当感知到外界恒定的气流传递时(假设第一结构41以及第二结构42表面的温 度相同），第一导热薄膜61以及第二导热薄膜62将会受到气流的影响，各自对应区域的热流 值可以根据式(1)、（2)得出，具体为：
[0037] qa=(Ti-T2)*Vdi (1)
[0038] qb=(Ti-T3)*Vd2 (2)
[0039]其中，qa*第一导热薄膜61对应区域气流的热流值，qb为第二导热薄膜62对应区域 气流的热流值汀:为气流的温度，T2为第一结构41感知的温度，T3为第二结构42感知的温度； h为第一导热薄膜61的导热系数，cU为第一导热薄膜61的厚度;12为第二导热薄膜62的导热 系数，山为第二导热薄膜62的厚度。
[0040] 由于气流是恒定不变的，因此qa = qb，由于式（1)、（2)中气流的温度1^是未知的，根 据第一结构41以及第二结构42之间的电压差也只能够得到第一结构41感知的温度与第二 结构42感知的温度之差，因此将式（1)、（2)进行一系列推导消除h，得到式(3)，从而求得气 流的热流参数，具体地：
[0041] qi= ATi* 入 1* 入 2/(入 2*dl_ 入 l*d2) (3)
[0042] 其中，qi为气流的热流参数；A Ti为第一结构41感知的温度与第二结构42感知的温 度之差为第一导热薄膜61的导热系数，cU为第一导热薄膜61的厚度;1 2为第二导热薄膜 62的导热系数，山为第二导热薄膜62的厚度。
[0043] 在具体实施时，为了提高测量的准确性，本实用新型实施方式提供的方法还利用 第七结构47与第八结构48采用与上述相同的方法测量热力值。具体地：当气流经过所述 MEMS传感器时，根据第七结构47以及第八结构48之间的电压差获取第七结构47感知的温度 与第八结构48感知的温度之差A T2;同样依据公式一得到气流的热流参数q2;再计算热量参 数q2与热流参数如的平均值该平均值为最终得到的气流的热流值。
[0044] (2)压力测量
[0045]当气流经过MEMS传感器时，根据第三结构43以及第四结构44的阻值变化，以及第 三结构43与第四结构44之间的电压差，通过查表可以得到气流的压力值，此为本领域技术 人员公知的常识，在此不再赘述。
[0046]在得到压力值的同时还可以得到第一曲率A P1。其中，第一曲率A P1为梁3在气流 压力的作用下弯曲变形的曲率，用于为后续的温度测量提供参考。
[0047] (3)温度测量
[0048] 测量温度时，利用第五机构、第六结构46以及位于第五结构45和第六结构46之间 的第一导热薄膜61来进行测量。当气流经过MEMS传感器时，由于第一导热薄膜61的材料为 二氧化硅，与梁3的硅材料温度膨胀率不同导致第一导热薄膜61以及梁3在不同的温度下膨 胀长度不同。在一定温度下，由于薄膜伸长的长度不同，必然导致薄膜产生拉扯的力，这个 力传递到梁3上面，导致梁3也产生一定弯曲（这个弯曲值和第一曲率A P1有耦合部分，不一 定是线性叠加，需要标定）。
[0049]可以理解的是，根据第五结构45以及第六结构46的阻值变化，以及第五结构45与 第六结构46之间的电压差，能够得到第二曲率A p2;其中，第二曲率A p2反应的变形程度包 括梁3在气流压力的作用下发生弯曲变形程度以及第一导热薄膜61在气流的作用下由于温 度变化膨胀发生弯曲变形程度。
[0050]去除第二曲率A p2中所述梁在气流压力的作用下发生弯曲的第一曲率A ?1的作 用，得到第三曲率A P3。其中第三曲率A P3仅包含第一导热薄膜61在气流的作用下由于温度 变化膨胀发生弯曲变形的曲率，这样就能够补偿由于梁3收到压力变形导致测量温度时产 生的误差，提高了测量的准确率。之后再根据第三曲率A P3以及第五结构45与第六结构46 之间的电压差，获得气流的温度值。
[0051 ] (3)流量测量
[0052] 如图3所示，当气流经过所述MEMS传感器时，根据第一结构41以及第八结构48之间 的电压差，获取第一结构41感知的温度与第八结构48感知的温度之差A T2,再获取加热电 阻5的温度T?，依据式(4)求得气流的流速VQ1，其中式(4)如下所示：
[0053] AT2 = TcoVoi1/2 (4)
[0054] 再根据气流的流速VQ1以及气流流动的横截面积，求得气流的流量值Iu
[0055] 在具体实施时，为了进一步提高测量的准确性，同时也利用第二结构42以及第七 结构47采用同样的方法测量气流的流量值。具体地，当气流经过所述MEMS传感器时，根据第 二结构42以及第七结构47之间的电压差，获取第二结构42感知的温度与第七结构47感知的 温度之差A T3,再获取加热电阻5的温度T〇)，同样依据公式二求得气流的流速VQ2,再根据气 流的流速VQ2以及气流流动的横截面积，求得气流的流量值12。
[0056] 最后计算流量值12与流量值1:的平均值I，该平均值为最终得到的气流的流量值。
[0057] 应该注意的是上述实施例对本实用新型进行说明而不是对本实用新型进行限制， 并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利 要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词"包含"不排 除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词"一"或"一个"不排除存在多 个这样的元件。本实用新型可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的 计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同 一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单 词解释为名称。
[0058]以上实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，有关技术领 域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和 变型，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应 由权利要求限定。
【主权项】
1. 一种MEMS传感器，其特征在于，包括玻璃基底以及形成在所述玻璃基底上的硅衬底， 在所述硅衬底内形成有两个空腔，空腔顶壁的硅衬底形成梁； 所述传感器还包括形成在硅衬底非梁区域上的第一结构、第二结构、第七结构以及第 八结构;在所述梁上还形成有第三结构、第四结构、第五结构、第六结构;所述传感器还包括 形成在硅衬底上位于第一结构以及第八结构之间的加热电阻； 其中，第一结构与第二结构导电连接，第三结构与第四结构导电连接，第五结构与第六 结构导电连接，第七结构与第八结构导电连接，第一结构还与第八结构导电连接，第二结构 还与第七结构导电连接； 第一结构、第二结构、第七结构、第八结构为温敏器件，第三结构、第四结构、第五结构、 第六结构为温敏与压敏耦合器件； 所述传感器还包括形成在第一结构以及第八结构上表面的第一导热薄膜，形成在第二 结构以及第七结构上的第二导热薄膜，以及形成在硅衬底表面位于第五结构以及第六结构 之间的第一导热薄膜。2. 如权利要求1所述的MEMS传感器，其特征在于， 所述第一结构、第二结构、第七结构、第八结构为温敏电阻或铂材料薄膜； 所述第三结构、第四结构、第五结构、第六结构为压敏电阻。3. 如权利要求2所述的MEMS传感器，其特征在于，第一结构、第二结构、第七结构以及第 八结构中每种结构的数量均为至少八个;第三结构、第四结构、第五结构、第六结构中每种 结构的数量均为至少四个； 其中，第一结构与第二结构通过构成惠斯通电桥从而导电连接，第三结构与第四结构 通过构成惠斯通电桥从而导电连接，第五结构与第六结构通过构成惠斯通电桥从而导电连 接，第七结构与第八结构通过构成惠斯通电桥从而导电连接，第一结构与第八结构通过构 成惠斯通电桥从而导电连接，第二结构与第七结构通过构成惠斯通电桥从而导电连接。4. 如权利要求1所述的MEMS传感器，其特征在于，所述第一导热薄膜的材料为二氧化 硅，第二导热薄膜的材料为氮化硅。
【文档编号】G01D21/02GK205593561SQ201620233581
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年3月24日
【发明人】陶智, 李秋实, 李海旺, 谭啸, 徐天彤, 余明星
【申请人】北京航空航天大学