[发明专利]一种热式气体流量传感器及其制备方法

说明书

本发明提供一种热式气体流量传感器及其制备方法，结构包括：衬底，包括凹槽，开设于衬底上表面；第一介质膜，位于凹槽上方，包括若干个第一介质膜单元及槽型结构，第一介质膜单元与衬底相连接，槽型结构贯穿第一介质膜且位于相邻第一介质膜单元之间，第一介质膜与衬底围成一个隔热腔体；电阻组件，包括至少一个加热单元和至少两个热敏单元，每个加热单元与每个热敏单元位于不同的第一介质膜单元上，热敏单元位于加热单元的两侧。通过上述技术方案，本发明的热式气体流量传感器的加热电阻的热量与衬底彻底隔离，降低了加热电阻热损耗，提高了气体流量的检测灵敏度和响应时间；采用单硅片单面体硅微机械工艺制作，结构尺寸小，成本低、工艺简单。

技术领域

本发明属于硅微机械传感器技术领域，涉及一种热式气体流量传感器及其制备方法。

背景技术

随着MEMS技术迅猛发展，基于MEMS微机械加工技术制作的硅基热式气体流量传感器以其尺寸小、高性能等优势被广泛应用于航空航天、生化检测、医疗仪器等领域。尤其近些年来，精细化工业和医学生物分析的发展对气体流量测量和控制的要求越来越高，传统的流量测量装置很难满足要求。另外由于微电子制造工艺的发展，生物医学和临床诊断上的仪器以及分析方法的小型化引起科研人员的极大关注，这些促使了硅基热式气体流量传感器沿着更小型化、更低成本、更高性能方向发展。

气体流速测量主要依据热式流量传感器表面的温度分布不同，然后通过热敏电阻实现对气体流速的测量。因此，减少硅体的热耗散是提高气体流量传感器性能的重要指标。传统热式气体流量传感器通常是在(100)硅片上通过双面微机械加工方式制作而成，具体步骤如下：首先，在硅片正面沉积一层SiO₂-Si₃N₄复合介质膜，并在该介质膜上分别加工加热电阻和热敏电阻；然后，通过单晶硅背面湿法腐蚀形成隔热腔体，减少复合介质膜下表面单晶硅支撑部分的横截面积，以达到降低发热电阻热耗散，提高检测灵敏度和响应时间的目的。

然而，这种热式气体流量传感器具有以下几点不足：(1)双面微机械加工工艺复杂，成本高且不利用批量生产；(2)从硅片背面湿法腐蚀减薄硅片到介质膜，腐蚀时间过长，制作效率低下；(3)由(100)硅片湿法腐蚀特性可知，介质膜面积与单晶硅背面掩膜开口区域面积比值很小，硅片厚度越大，芯片尺寸越大，成本越高；(4)虽然SiO₂-Si₃N₄复合介质膜导热系数低，但是它也给加热电阻带来不可避免的热损耗。

为了解决上述问题，2016年中电三十八所谷永先等人研制了一种热隔离式的热式气体质量流量传感器。这种工艺主要是在三只铂电阻两侧分别开两个倾斜的槽，然后在各电阻下方通过湿法腐蚀掏空介质膜下方的单晶硅衬底，形成悬空的梁式结构[谷永先,曾鸿江,邬林等，热隔离式MEMS气体质量流量传感器设计，传感器与微系统，2016,35(6):72-74]。虽然，这种热式气体流量传感器采用单硅片单面加工，解决了传统双面微机械加工过程中工艺复杂，芯片尺寸大，成本高的不足。但是，这种结构却存在如下不足：(1)由(100)湿法腐蚀特性可知，加热电阻和热敏电阻所在的梁式结构需要沿(110)晶向偏斜一定的夹角才能实现梁结构湿法腐蚀释放，这就导致了传感器后续安装定位比较困难；此外，梁式结构释放后位于其下方的隔热腔体呈倒梯形结构，即，靠近梁式结构一侧开口大，腔体底部开口小，这导致加热电阻热耗散无法降到最低；(2)由于梁式结构下方隔热腔体结构不对称也导致了热敏电阻所在位置热场分布不均匀，从而影响传感器检测性能。

因此，设计一种可以解决现有技术中热式气体流量传感器热耗散高、尺寸大、响应时间慢等问题的热式气体流量传感器实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种热式气体流量传感器及其制备方法，用于解决现有技术中热式气体流量传感器热耗散高、尺寸大、响应时间慢等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种热式气体流量传感器，包括：