[发明专利]热堆式气体质量流量传感器及其制备方法

说明书

本发明提供一种热堆式气体质量流量传感器及其制备方法，包括：衬底；与衬底相连接的带类“非”字状槽的介质膜，且介质膜与衬底共同围成一个隔热腔体；加热元件；至少两个感测元件；单晶硅热偶臂的冷端与衬底之间呈“三明治”状热沉结构。通过引入类“非”字状介质膜以及其下表面的单晶硅热偶臂的结构，即单晶硅热偶臂的热端悬空于隔热腔体上，单晶硅热偶臂的冷端与中间介质层及衬底面面接触的热沉结构，实现了单晶硅‑金属热偶对与衬底的物理隔离，减少了本发明的衬底散热，提高了传感器的灵敏度；热沉结构，增大了单晶硅热偶臂冷端的散热性能，增大了单晶硅‑金属热偶对冷端和热端温度差，从而缩短传感器的响应时间、提高传感器的量程范围。

技术领域

本发明属于硅微机械传感器技术领域，特别是涉及一种热堆式气体质量流量传感器及其制备方法。

背景技术

气体流量一直是生产与科研中最重要的测量参数之一，因此气体流量测量仪表在汽车，电力，航空航天以及微电子领域被广泛使用。目前市场中比较成熟的流量计包括涡轮流量计、罗茨流量计等，这些机械式流量计的技术成熟且性能可靠。但由于生化、医疗等领域要求的流量范围约为nL/min量级，是机械式流量计所不能满足的。因此要求新型的气体流量传感器具有更高的测量精度以及更小的体积。

这些年随着MEMS技术和热流体仿真技术的蓬勃发展，基于MEMS技术的风速风向传感器应运而生，依据检测原理的不同主要分为两大类：一是具有可动结构的非热式风速风向传感器，以流体对敏感结构的压力作用使结构产生的变形量作为检测量，获取流体的流速信息，二是不包含可动结构的热式风速风向传感器，其原理是由于外界环境中的风或流体会对加热后的芯片产生不对称的降温作用。因此通过检测芯片的热量散失和温度场分布，就能够得知流量大小。

热式风速计主要有三种工作原理，分别是热损失型，热温差型和热脉冲型。热温差型流量传感器根据其测温电阻种类的不同又可以分为热温差式流量传感器和热电堆式流量传感器。热电堆是一类测量温度的元件，由多个热电偶串联而成。热电偶则是把两种不同材料的导体两端连接形成闭合回路，当两端存在温度差异时，在回路中会产生电势差。这一现象被称之为塞贝克效应，因此若保持其中一端温度恒定，则可以通过测量电动势来测量另一端温度。

目前热电堆式流量传感器多以在(100)硅片上通过双面微机械加工为主，芯片尺寸较大，制作成本高，且不利于批量化制造；此外，受制作工艺限制，热偶材料多采用多晶硅-金属结合，然后通过增加热对偶数量或增加热对偶臂长方式来提高传感器检测性能，但这将进一步增大芯片尺寸，提高制作成本。为了降低芯片尺寸，提高检测灵敏度，科学工作者也做了大量研究，但难以兼顾高灵敏度和微型化。

为了降低芯片尺寸，1999年G.Kaltsas等人用P型多晶硅-铝金属作为热偶材料，用多孔硅作为介质层采用单面微加工方式制造气体流量传感器[Kaltsas G，NassiopoulouA.G.Novel C-MOS compatible monolithic silicon gas flow sensor with poroussilicon thermal isolation[J].Sensors and Actuators A：Physical,1999，76(1)：133-138.]。这种工艺虽然实现了单面加工，降低芯片尺寸，但存在热偶臂的赛贝克系数较低，且多孔硅制作过程复杂，成型过程难以复制，在空气中易龟裂等缺点。