[发明专利]一种气流流量计、MEMS硅基温敏芯片及其制备方法

说明书

本发明提供一种MEMS硅基温敏芯片，包括基底、阻热支撑层、温漂校准温敏电阻和气流感应温敏电阻，基底包括实体部分和第一通孔，第一通孔位于实体部分的中部，阻热支撑层连接在基底和气流感应温敏电阻之间，阻热支撑层位于基底的上方，位于实体部分的上方的阻热支撑层上开设有凹槽，温漂校准温敏电阻包括第一压焊图形和若干条温漂校准温敏电阻丝，第一压焊图形位于阻热支撑层的凹槽内，温漂校准温敏电阻丝设置在阻热支撑层的内部，并位于基底的实体部分的上方，气流感应温敏电阻包括第二压焊图形和若干条气流感应温敏电阻丝，第二压焊图形连接在阻热支撑层上，并位于实体部分的上方，气流感应温敏电阻丝连接在阻热支撑层上，并位于第一通孔的上方。

技术领域

本发明涉及微型电子机械技术领域，尤其涉及一种气流流量计、MEMS硅基温敏芯片及其制备方法。

背景技术

MEMS(Micro electro mechanical systems，微型电子机械系统)温敏流量计的基本原理是通过感应温敏材料表面因气流流过引起的温度变化来计量流体的流速。该类器件的核心结构为微型的温敏电阻丝。该电阻丝需要具有较高的电阻温敏系数数值以及线性的电阻随温度变化的规律。由于铂的体材料(bulk material)具有较高的电阻温敏系数(TCR(Temperature coefficient of resistance，电阻温敏系数)＝3.8×10^-3/℃)，因此，铂金属常被用于加工温敏流量计的温敏电阻丝。该种温敏电阻丝工作时需要通电加热到一定温度，当气体流过加热的铂电阻丝表面时，散热作用会引起铂电阻丝结构的温度变化，从而引起温敏电阻丝的电阻变化，因此，可以利用这一原理测量气体的流速。随着IC工艺技术发展至今，衍生出利用半导体材料的工艺技术设计、加工各类传感器的方法。而基于这种半导体材料的微纳工艺技术加工出来的器件及其应用系统，称为MEMS，由这种工艺技术加工出的微纳结构尺寸更小、成本更低、灵敏度更高。目前，基于MEMS技术设计的温敏型流量传感器主要有：热损失型(hotwire)和温差式流量计/风速仪(differential calorimeter/anemometer)。单个加热温敏电阻丝芯片独立工作时为热损失型流量计。当两个温敏电阻丝共同工作、相互感应测量流体流速时组成的温敏流量计为温差式流量计/风速仪。

温差式流量计中的温敏芯片通常由铂温敏电阻丝、带小通孔阵列的阻热薄膜、带大通孔的基底三个主要部分组成，其主要通过温敏芯片感应气流对流引起的热损失来计量气流流速和方向。因而，保证温敏芯片的灵敏度的主要因素在于提高芯片对气流对流散热的感应，而抑制其他渠道的热损失。温敏芯片表面的热损失的来源除了气流对流(convection)以外，还有热导(conduction)和热辐射(radiation)二种。因此，该芯片的材料和结构设计需要使其对气流对流的热损失敏感，而抑制其热导和热辐射引起的热损失。而芯片表面的热辐射主要与材料种类有关，在设计一致的情况下，其热辐射引起的两芯片间温度差异可以忽略不计。该类芯片的热导引起的热损失是影响该温敏芯片灵敏度的主要原因。设U为传导的热量，k为介质材料的热传导率，A为介质材料的横截面积，Δx为导热介质材料长度，根据公式U＝kA/Δx可以看出，介质材料传导的热量与传导介质的横截面成正比关系、与传导的长度成反比关系。因此，可以通过结构设计优化热传导造成的损失。

日本Horiba公司在专利US6320192 B1中公开了一种红外分析仪用探测器、流量探测器及其制造方法，提出了一般采用例如MgO(85％的热导率为0.067W/mK)，或者可采用玻璃(热导率0.95～1.4W/mK)或石英等热绝缘性较好的材料作为温度器件的基底材料。但是这种材料成本较高，刻蚀难度大，不易控制图形精度，加工稳定性差，不易于批量加工。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高灵敏度的MEMS硅基温敏芯片，还提供了一种工艺简单的MEMS硅基温敏芯片的制备方法及一种可以测量气体流量大小和方向的气流流量计。