基于自加热非晶锗热电阻的柔性MEMS流速传感器

本发明涉及的是一种流速传感器领域的技术，具体是一种基于自加热非晶锗热电阻的柔性mems流速传感器及其应用和制备方法。

背景技术：

现有的流速测量方法中，热线/热膜热敏方法是利用热敏电阻线(膜)作为加热或热敏传感组件，外加电流或电压使得热线(膜)升温加热流体，流体流动时引起热敏组件的阻值变化，进而可推算出流体流速的大小。热式mems流速传感器的主要结构是在衬底上制作热线/热膜热敏电阻，多数制作在硅、玻璃、陶瓷等刚性衬底上，而实际流速测量应用中有各种非平面表面，如各种翼面、圆形管道面等，刚性衬底流速传感器的使用受到限制，且传感器的结构及其实现宽量程流速测量的信号处理电路复杂。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于自加热非晶锗热电阻的柔性mems流速传感器，该流速传感器热电阻采用非晶锗半导体热阻材料，传感器结构简单，基于在流体流动冷却下对高灵敏度非晶锗热敏电阻自发热的精确测量，空腔膜上的测温热电阻同时作为自加热热源和测温组件。并且惠斯通电桥的恒电流供电只需几十微安，使得测温热电阻的工作温度与流体温度之间的温度差较低(最高为10k)，传感器的功耗可在1mw以内。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于自加热非晶锗热阻的低功耗柔性mems流速传感器，包括：由下而上依次设置的柔性衬底、支撑膜、绝缘保护层、位于隔热空腔之上支撑膜和绝缘保护层之间的悬空膜测温热电阻和位于隔热空腔外柔性衬底之上支撑膜和绝缘保护层之间的用于测量环境流体温度的变化，以用于补偿校正流速传感器的输出信号测量误差的衬底测温热电阻，其中：支撑膜部分悬空设置于柔性衬底上，支撑膜和绝缘保护层相连，衬底测温热电阻和悬空膜测温热电阻通过对应的引线和引脚与外界相连。

所述的柔性衬底中设有隔热空腔，该隔热空腔正对于支撑膜的悬空部分。

所述的悬空膜测温热电阻嵌于所述的隔热空腔之上的绝缘保护层和支撑膜之间，以构成惠斯通电桥。

所述的衬底测温热电阻嵌于隔热空腔外柔性衬底之上的支撑膜和绝缘保护层之间。

所述的悬空膜测温热电阻包括并排设置的四个测温热电阻，该四个测温热电阻对称设置于隔热空腔的中心线的两侧，即两个测温热电阻在中心线的一侧，另外两个测温热电阻在另一侧。

所述的衬底测温热电阻包括两个衬底测温热电阻，分别设置于支撑膜悬空部分的左右两侧。

所述的悬空膜测温热电阻和衬底测温热电阻均包括：非晶锗薄膜与作为非晶锗薄膜的两个接触电极的双层金属薄膜。

所述的非晶锗薄膜为长方形块状，其中窄边方向为流速敏感方向，长边方向垂直于流速敏感方向。

所述的接触电极的形状为梳齿形状叉指结构。

本发明涉及一种基于上述柔性流速传感器的流速测量方法，通过对悬空膜测温热电阻组成惠斯通电桥采用恒定的直流电流is供电激励，使得悬空膜测温热电阻自加热形成热源并同时产生温度测量信号，惠斯通电桥输出端之间的电压的输出特性为量热计工作模式，恒流供电端之间的电压的输出特性为风速计工作模式。

所述的悬空膜测温热电阻组成的惠斯通电桥，由靠近悬空膜中心线的二个内侧测温热电阻形成电桥两供电端之间的两个桥臂，远离悬空膜中心线的两个外侧测温热电阻形成电桥两供电端之间的另两个桥臂。

所述的供电激励，直流电流is的大小为小于等于100微安。

所述的惠斯通电桥输出端之间的电压ub，用于0.01～1m/s量级大小的低流速测量和测向，此时流速传感器的输出特性为量热计工作模式。

所述的惠斯通电桥恒流供电端之间的电压uo，用于1～50m/s量程的高流速测量，此时流速传感器的输出特性为风速计工作模式。

所述的流速测量范围为0.01～50m/s。

本发明涉及上述基于自加热非晶锗热电阻的柔性流速传感器的制备方法，包括：

s001：在刚性衬底正面氧化层上沉积绝缘保护层，接着第一次涂胶光刻后，采用电子束蒸发或磁控溅射的方法沉积得到非晶锗薄膜，经lift-off图形化为长方形块状结构。

所述的刚性衬底，为双面抛光并且表面热氧化的硅片，该硅片上包含作为后续硅刻蚀的终止层的氧化层。

所述的绝缘保护层，为采用lpcvd方法沉积厚度100nm以上的氮化硅。

所述的非晶锗薄膜，其沉积厚度为200nm～300nm，沉积温度不超过150℃。

s002：在有非晶锗薄膜图形的表面上进行第二次涂胶光刻后，采用电子束蒸发或磁控溅射的方法沉积cr/au或ti/au薄膜，经lift-off图形化为悬空膜测温热电阻接触电极、衬底测温热电阻接触电极、引线和引脚结构。

所述的cr/au或ti/au薄膜的优选厚度为50nm/200nm。

s003：在有cr/au或ti/au薄膜图形的表面上旋涂第一层低温固化型聚酰亚胺作为传感器的柔性支撑膜，经温控烘箱或退火炉内固化后，在固化的第一层聚酰亚胺的表面上进行第三次涂胶光刻后，在聚酰亚胺支撑膜上沉积金属阻挡层薄膜，经lift-off图形化为隔热空腔对应底部位置的金属阻挡层图形。

所述的聚酰亚胺的固化，最高温度为150℃。

所述的金属阻挡层薄膜，优选为溅射沉积铝(al)膜。

s004：在金属阻挡层薄膜上旋涂第二层温固化型聚酰亚胺作为传感器的柔性衬底，经温控固化后，在固化的第二层聚酰亚胺表面上进行第四次涂胶光刻后，在聚酰亚胺柔性衬底上沉积金属掩膜薄膜，经lift-off图形化为金属掩膜窗口。

所述的聚酰亚胺的固化，最高温度为150℃。

所述的金属掩膜薄膜，优选为al、ti或cu。

s005：采用反应离子刻蚀(rie)聚酰亚胺柔性衬底至金属阻挡层(获得隔热空腔)及au膜层(露出引脚)，再通过湿法刻蚀去除金属阻挡层及金属掩膜层；然后在硅片背面氧化层上进行第五次涂胶光刻后，采用反应离子刻蚀(rie)氧化硅开腐蚀窗口，再在koh溶液里腐蚀硅片至正面的氧化层并通过湿法刻蚀去除氧化层，最后剥离带有传感器结构的柔性膜。

技术效果

本发明整体解决了现有mems热式流速传感器的热敏电阻材料多为pt、ni、au等金属材料所带来的问题。以最常用的pt热阻材料为例，其热阻系数(tcr)不高(为0.38％/k，k为开尔文温度)且电阻率较低(室温下约10.9×10^-8ω.m)，为实现该柔性流速传感器的宽量程流速测量(为10^-2～10²m/s)，传感器敏感结构除了设置至少一个加热热电阻外，还须设置多对测温热电阻对以兼顾流速测量的量程和灵敏度，并且，这些热电阻需要构成多个惠斯通电桥电路，导电流速测量的信号处理电路复杂。其中，为实现工作于热损失原理的加热热电阻对更高流速的测量，需要加热热电阻工作温度与流体温度之间保持较高的恒温差(50～300k)，所需功耗达上百mw以上。

与现有技术相比，本发明利用非晶锗半导体薄膜热电阻材料的优异温度特性，如较高的热阻系数(约为-2％)和电阻率(室温下约5ω.m)，使得非晶锗热阻流速传感器具有相当高的温度分辨率(优于10^-4k)以及优越的流速测量灵敏度。基于非晶锗热阻器的微流速传感器结构简单、响应快、功耗低，本发明的流速传感器利用四个悬空膜非晶锗热电阻构成一个惠斯通电桥，工作于恒流模式，由于非晶锗热电阻的温度分辨率高，使用非常低的恒电流(仅几十微安)，就可利用量热计和风速计的组合原理实现宽量程流速(0.01-50m/s)的测量，且传感器的总功耗可降至1mw以下。

附图说明

图1为柔性流速传感器结构示意图；

图2为柔性流速传感器结构剖面图；

图3为图1中a区测温热电阻的放大示意图；

图4为柔性流速传感器流速测量应用时非晶锗热电阻构成的惠斯通电桥示意图；

图5惠斯通电桥的输出端电压ub和供电端电压uo信号随输入流速变化的有限元仿真曲线；

图6为柔性流速传感器基于mems技术的制备工艺流程示意图；

图中：(a)～(h)分别为各个工艺步骤得到的结构示意图；

图中：1柔性衬底、2隔热空腔悬空膜的中心线、3悬空膜测温热电阻对、3a、3b、3c、3d四个悬空膜测温热电阻、4衬底测温热电阻对、4a、4b衬底测温热电阻、5引线、6引脚、7绝缘保护层、8支撑膜、9隔热空腔、10非晶锗薄膜、11双层金属薄膜、11a、11b接触电极、ra、rb、rc、rd为悬空膜测温热电阻的阻值、rst1、rst2为衬底测温热电阻的阻值。

具体实施方式

如图1～3所示，本实施例包括：由下而上依次设置的柔性衬底1、支撑膜8、绝缘保护层7、位于隔热空腔9之上支撑膜8和绝缘保护层7之间的悬空膜测温热电阻对3和位于隔热空腔外柔性衬底1之上支撑膜8和绝缘保护层7之间的用于测量环境流体温度的变化，以用于补偿校正流速传感器的输出信号测量误差的衬底测温热电阻对4，其中：支撑膜8部分悬空设置于柔性衬底1上，支撑膜8和绝缘保护层7相连，衬底测温热电阻对4和悬空膜测温热电阻3通过对应的引线5和引脚6与外界相连。

所述的柔性衬底1中设有隔热空腔9，该隔热空腔9正对于支撑膜8的悬空部分。

所述的悬空膜测温热电阻3嵌于隔热空腔9之上的绝缘保护层7和支撑膜8之间，以构成惠斯通电桥。

所述的衬底测温热电阻对4嵌于隔热空腔外柔性衬底1之上的支撑膜8和绝缘保护层7之间。

所述的悬空膜测温热电阻3包括并排设置的四个悬空膜测温热电阻3a、3b、3c和3d，其电阻值分别为ra、rb、rc和rd，该四个悬空膜测温热电阻对称设置于隔热空腔9的中心线2的两侧，即悬空膜测温热电阻3a、3b在中心线2的一侧，悬空膜测温热电阻3c和3d在另一侧。

所述的四个悬空膜测温热电阻3a、3b、3c和3d的中心与中心线2的距离不超过200μm。以便及时敏感自加热热电阻对流体产生的热量，提高传感器响应速度。

所述的衬底测温热电阻对4包括两个衬底测温热电阻4a、4b，其电阻值分别为rst1和rst2，分别设置于支撑膜8悬空部分的左右两侧。

所述的引脚6设置于所述柔性传感器敏感面的背面一侧，避免了引脚6与电路间的引线5对敏感面流速场分布的影响。

如图3所示，所述的悬空膜测温热电阻和衬底测温热电阻均包括：非晶锗薄膜10与作为非晶锗薄膜10的两个接触电极11a、11b的双层金属薄膜11。

所述的非晶锗薄膜10为长方形块状，其中窄边方向为流速敏感方向，长边方向垂直于流速敏感方向。

优选地，长方形块状的长边尺寸是窄边尺寸的5倍以上。因传感器窄边为流速的敏感方向，并且宽度越窄由于热传播时间引起的响应延迟就越小。

所述的非晶锗薄膜10的厚度为200nm～300nm之间，采用电子束蒸发或磁控溅射的方法沉积，且薄膜沉积温度最高不超过150℃，以避免温度过高出现非晶态微结构再结晶。非晶锗薄膜具有优异的温度特性，例如，较高的热阻系数(约为-2％)和电阻率(室温下约5ω.m)，且热导率0.5w/m.k比硅小。高的电阻率使得在很低的电流下即可精密测量电阻值，且可以减小通过互联引线的电流密度，从而减小其横截面，也减少了到衬底的寄生热流。这使得非晶锗温度传感器具有相当高的温度分辨率(优于10^-4k)，有利于传感器产生高的流速灵敏度。

所述的接触电极11的形状为梳齿形状叉指结构，每个梳齿的齿宽小于等于15μm，接触电极11a和11b组成的叉指结构相邻齿宽间的间隙宽度小于等于15μm。这样，保证了整个长方形非晶锗敏感区域内几乎均匀的电流密度和温度分布。

所述的双层金属薄膜11包括：粘附层和导电层，其中：粘附层为铬(cr)或钛(ti)，导电层为金(au)。

所述的柔性衬底1和支撑膜8为低温固化型柔性聚酰亚胺(pi)制成，其固化最高温度为150℃，同时聚酰亚胺固化过程为非晶锗薄膜10的退火处理过程，退火处理可保证非晶锗热电阻阻值在低温下的热稳定性。

所述的聚酰亚胺的热导率很小(约为0.12w/m.k)，而硅为150w/m.k；并且存在隔热空腔9，使得散失到柔性衬底1的热量相对于现有的硅衬底大大减小，从而进一步提高了流速传感器测量量程和灵敏度。

所述的绝缘保护层7用于保护传感组件免受流体中颗粒的影响，厚度小于等于1μm且优选为无机物薄膜材料制成，采用但不限于：氮化硅(si3n4)、碳化硅(sic)或氧化铝(al2o3)。

本实施例性能很大程度上取决于器件尺寸和热惯量，器件的敏感结构越薄，传感器测量越精确、响应越快。所述的无机物绝缘保护薄膜使得传感器响应时间为毫秒级。

所述的引线5和引脚6采用与双层金属薄膜11相同的材质制成且均包括：粘附层和导电层，其中：粘附层为铬(cr)或钛(ti)，导电层为金(au)。

优选地，该引线5、引脚6与悬空膜测温热电阻3和衬底测温热电阻对4同时加工制造，简化了制造工艺流程。

如图4所示，本实施例涉及应用上述柔性流速传感器的流速测量方法，通过将四个悬空膜测温热电阻3a、3b、3c和3d连接形成一个惠斯通电桥，其中靠近悬空膜中心线2的二个内侧测温热电阻3b和3c(即电阻rb和rc)形成两供电端之间的两个桥臂，而测温热电阻3a和3d(即电阻器ra和rd)形成两供电端之间的另两个桥臂。

所述的惠斯通电桥采用恒定的直流电流is供电激励，所述的直流电流is的大小为小于等于100微安，用于桥路的四个热电阻自加热形成热源并同时产生温度测量信号。由于非晶锗热敏电阻的主要特性之一是负温度系数电阻，电桥的恒直流电流激励，可避免采用恒电压激励产生的热失控问题。

所述的惠斯通电桥输出端之间的电压ub，用于(0.01～1)m/s量级大小的低流速测量和测向，此时流速传感器的输出特性为量热计工作模式。工作过程及原理如下：

在零流速的情况下，悬空膜的温度分布曲线相对于悬空膜中点线2对称，即内侧的两个悬空膜测温热电阻3b、3c和外侧的两个悬空膜测温热电阻3a、3d分别具有相同的温度，也即rb＝rc，ra＝rd，此时，电桥处于平衡状态，即电桥输出ub＝0。

在流速不为零的情况下，由于对流传热带走热量，沿悬空膜表面流动的任何流体会改变悬空膜的温度分布。假设流向从左到右，随着流速的增加，上游流入口附近的悬空膜测温热电阻3a、3b的冷却程度要比下游流出口附近的悬空膜测温热电阻3c、3d的更大。这会引起电桥输出不平衡电压ub的符号取决于流动方向，并且极低流速下灵敏度较高，符合量热计的典型输出特性。

所述的惠斯通电桥恒流供电端之间的电压uo，用于(1～50)m/s量程的高流速测量，此时流速传感器的输出特性为风速计工作模式。工作过程及原理如下：

由于四个测温热电阻都被流动的流体冷却，它们的电阻值都会增加，进而电桥的总电阻ro会随着流速的增加而增大。由于恒定的直流电流供电，电桥供电端子之间的电压此输出uo为流速的单调增函数，用于高流速测量信号的输出，且输出不依赖于流动方向，为典型的风速计特性。

本实施例的宽量程流速测量范围为0.01～50m/s。

如图5所示，为模拟管道内的传感器在50m/s的较宽输入流速范围内所述的惠斯通电桥输出信号的有限元仿真曲线结果，其中输入的恒电流为is＝20μa。对于较低的流速(如0～2m/s)，电桥输出电压ub是首选的输出量，因其低速下灵敏度相对较高。对于较高较宽范围的流速(如2～50m/s)时，使用uo作为传感器输出量，因其高速下为单调递增函数，不会发生输出信号饱和的情况。以输出50m/s的流速为例，输出电压uo约为9.4v，传感器的功耗约为p功耗＝is*uo＝0.188mw。

如图6所示，为本实施例涉及上述基于mems的柔性流速传感器的制备方法，采用mems微加工艺进行制备，包括以下步骤：

s001：准备双面抛光并且表面热氧化的(100)硅片，氧化层的厚度为200nm以上(作为后续硅刻蚀的终止层)。

s002：在硅片正面氧化层上沉积绝缘保护层，如lpcvd沉积100nm以上的氮化硅(最终将作为传感器的绝缘保护层)。如图6(a)所示。

s003：接着第一次涂胶光刻，电子束蒸发或磁控溅射的方法沉积厚度为200nm～300nm的非晶锗薄膜，沉积温度不超过150℃，lift-off图形化为长方形块状结构，如图6(b)所示。

s004：接着第二次涂胶光刻，电子束蒸发或磁控溅射的方法沉积cr/au或ti/au薄膜(例如厚度为50nm/200nm)，lift-off图形化为测温热电阻接触电极、衬底测温热电阻接触电极、引线和引脚结构，如图6(c)所示。

s006：旋涂第一层低温固化型聚酰亚胺(作为传感器的柔性支撑膜)并在温控烘箱或退火炉内固化，固化的最高温度为150℃，如图6(d)所示。该固化过程同时为非晶锗薄膜的退火处理过程，退火处理可保证非晶锗热电阻阻值在低温下工作的热稳定性。

s005：接着第三次涂胶光刻，在聚酰亚胺支撑膜上沉积金属阻挡层薄膜，例如溅射沉积铝(al)膜，lift-off图形化为隔热空腔对应底部位置的金属阻挡层图形。

s006：在金属阻挡层薄膜上旋涂第二层温固化型聚酰亚胺(作为传感器的柔性衬底)，并在温控固化，固化的最高温度为150℃。如图6(e)所示。

s007：接着第四次涂胶光刻，在聚酰亚胺柔性衬底上沉积金属掩膜薄膜，例如al、ti或cu等，lift-off图形化为金属掩膜窗口。如图6(f)所示。

s008：反应离子刻蚀(rie)聚酰亚胺柔性衬底至金属阻挡层(获得隔热空腔)及上述的au膜层(露出引脚)；湿法刻蚀去除金属阻挡层及金属掩膜层。如图6(g)所示。

s009：在硅片背面氧化层上第五次涂胶光刻，反应离子刻蚀(rie)氧化硅开腐蚀窗口，然后在koh溶液里腐蚀硅片至正面的氧化层，在湿法刻蚀去除氧化层，最后，剥离带有传感器结构的柔性膜。如图6(h)所示。

在所述的步骤s003～s010中，工艺操作温度最高为150℃，以防止非晶锗微结构的再结晶。

经过有限元建模仿真实验，模拟管道内的传感器模型在不同输入流速(0-55m/s)下非晶锗热电阻构成的惠斯通电桥的输出特性，惠斯通电桥输入恒电流is＝20μa，如图5所示。仿真结果验证了本发明利用非晶锗半导体热阻材料，使得非晶锗热阻流速传感器具有优越的流速测量灵敏度，由四个悬空膜非晶锗热电阻构成一个惠斯通电桥，工作于恒流模式，使用非常低的恒电流(仅几十微安)，就可利用量热计和风速计的组合原理实现宽量程流速(0.01-50m/s)的测量，且传感器的总功耗可降至1mw以下。

综上，本发明基于非晶锗热阻器的微流速传感器结构简单、响应快、功耗低，利用四个悬空膜非晶锗热电阻构成一个惠斯通电桥，工作于恒流模式，由于非晶锗热电阻的温度分辨率高，使用非常低的恒电流(仅几十微安)，就可利用量热计和风速计的组合原理实现宽量程流速(0.01-50m/s)的测量，且传感器的总功耗可降至1mw以下。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。