[发明专利]一种基于MEMS技术的流量计芯片的测量部件及其制作方法

说明书

(一)技术领域：

本发明属于MEMS系统设计与应用领域，尤其是一种基于MEMS技术的流量计芯片的测量部件，当流体流过热电偶结构时会改变热电偶的热场，产生温度差，由此可以测量流体的流速。

(二)背景技术：

MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是微机电系统的缩写。MEMS是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统，目前MEMS加工技术又被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。

MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。MEMS技术正发展成为一个巨大的产业，就像近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷嘴和硬盘驱动头等。大多数工业观察家预测，未来5年MEMS器件的销售额将呈迅速增长之势，年平均增加率约为18％，因此对对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。

MEMS是一种全新的必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域，相对于传统的机械，它们的尺寸更小，最大的不超过一个厘米，甚至仅仅为几个微米，其厚度就更加微小。采用以硅为主的材料，电气性能优良，硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝类似，热传导率接近钼和钨。采用与集成电路(IC)类似的生成技术，可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺，进行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。MEMS系统包括了微小的机械和电力部件。MEMS结构的微感应器可以用来感应或测量压力、流速、加速度、温度、压力以及其他物理量。一个微感应器可以把环境量，比如流速、压强、温度转化成电信号。我们给这样的感应器的电信号制定一个标准，这样感应器所在的环境量就可以测量了。

MEMS流量计的基本原理是很简单的，一个带有测量电路的热电偶就可以用作一个简单的流量计：当流体流过热电偶时，会使热点偶的热场发生改变，热电偶两端的温度感应装置就会产生温度差，若已知流体的各项热学参数，通过对温度差的测量就可以得到与之对应的流速。

基于MEMS的流量计，可以用来测量流速，不论是在工业、商业还是医疗应用方面，都有很大的应用需求。在许多医疗、工业方面的应用实例中，从小尺度的便携式的气压机到大尺度的植物的种植，都需要用到流量计。

考虑到流量计实际应用中的具体情况，目前普遍使用的MEMS流量计需要在以下几个方面进行改进：

1、测量电路：改进测量电路，可以减少来自测量电信号的误差；

2、温度感应装置的精度：使用更合理的结构，更合适的材料，从而减少温度测量值和实际值之间的误差；

3、流体通道的结构：长时间的使用，会使流体中的各种碎片、杂质、污染物等附着在流量计的结构上，从而影响长期测量的稳定性和使用寿命。改进流体通道的结构可以减少或者是清理这些附着物。

现在公认的是，测量电路使用惠斯通电桥的结构可以得到最优的信号，所以迫切需要改进的是感应装置的精度和通道结构设计的问题。

(三)发明内容：

本发明的目的在于设计一种基于MEMS技术的流量计芯片的测量部件，它能够解决现有技术的不足，具有较低的测量误差、较高的寿命和长期测量的稳定性。

本发明的技术方案：一种基于MEMS技术的流量计芯片的测量部件，其特征在于它包括一个带有流体通道的硅基，硅基及通道上方有一层薄的、表面粘度低的、导热性良好的绝缘层，绝缘层上方是感应元件朝下的测量装置，绝缘层上方部分连接到电路中并封装。

上述所说的感应元件朝下的测量装置按照测量阵列分布，测量阵列中包含n×n个测量单元，阵列所在的平面沿流体管道的直径方向；每个半径向上的测量单元的位置与管道中心的距离有以下的关系：