[实用新型]一种高性能MEMS流量传感器

说明书

本实用新型公开了一种高性能MEMS流量传感器，该流量传感器包括：SOI衬底，包括底层硅、埋氧层及顶层硅；腔体，包括第一腔体和第二腔体，均沿上下向贯穿底层硅；敏感材料层，位于所述埋氧层上，由部分所述顶层硅形成，包括温度敏感元件、热电堆、加热器及压力敏感元件；绝缘介质层，覆盖所述敏感材料层，且局部刻蚀出接触孔；金属层，部分金属层通过所述接触孔连接所述敏感材料层。本实用新型采用具有较大塞贝克系数的P型/N型单晶硅作为热电堆材料，可有效提高器件的灵敏度；此外，本实用新型在常规MEMS流量传感器上集成制造了温度敏感单元和压力敏感单元，以便在不增设温度和压力传感器的前提下对流量的测量结果进行补偿，提高器件的检测精度。

技术领域

本实用新型属于流量测量技术领域，特别涉及一种高性能MEMS流量传感器。

背景技术

流量测量是工业生产和科学研究的基本需求。流量传感器种类繁多，其中，基于MEMS技术制作的热温差式流量传感器因具有结构简单、尺寸小、精度高、响应快、功耗低等诸多优点而得到广泛应用。

MEMS热温差式流量传感器主要由加热器和对称分布在其上下游的热电堆(或热敏电阻)组成。加热器提供一定的功率以使器件表面温度高于环境温度，当无气流时，表面温度以加热器为中心呈正态分布，上下游热电堆具有相同的电信号；当有气流时，气体分子转移热量使表面温度分布发生偏移，上下游热电堆的电信号随之产生差异，利用这种差异就可推算出气体流量。灵敏度是流量传感器最重要的指标之一，为提高流量传感器的灵敏度，人们主要发展了三种技术方案：采用热导率较小的悬浮膜结构来减小基底的热耗散；采用具有更高塞贝克系数的热电材料；采用更大的面积或更密的排列方式来增加热电偶的对数。然而，随着应用的不断推广和深入，流量传感器的灵敏度亟需得到进一步提高。

此外，测量过程中，气体温度、压力的变化都会使其热平衡常数发生变化，进而引入测量误差。现有的方法通常选择在流量传感器前后增设温度传感器和压力传感器来对气体的温度、压力进行测量，进而通过处理电路对流量的测量结果进行补偿。这种方法虽然有效，但会大大增加传感器的数量、体积和使用成本。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种高性能MEMS流量传感器，以在满足小型化、低成本和批量生产要求的同时，有效提高器件的灵敏度和检测精度。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种高性能MEMS流量传感器，包括：

SOI衬底，包括底层硅、埋氧层及顶层硅；

腔体，包括第一腔体和第二腔体，均沿上下向贯穿底层硅；

敏感材料层，位于所述埋氧层上，由部分所述顶层硅形成，包括温度敏感元件、热电堆、加热器及压力敏感元件；

绝缘介质层，覆盖所述敏感材料层，且局部刻蚀出接触孔；

金属层，部分金属层通过所述接触孔连接所述敏感材料层。

上述方案中，所述温度敏感元件、加热器和压力敏感元件的材料为P型单晶硅或N型单晶硅。

上述方案中，所述热电堆由P型单晶硅和N型单晶硅两种材料交替连接形成。

上述方案中，所述热电堆的数量为两个，且对称分布在加热器的两侧，所述热电堆的热端以及加热器位于第一腔体的上方，所述热电堆的冷端位于底层硅上方。

上述方案中，所述压力敏感元件的数量为四个，且形成惠斯通电桥结构，压力敏感元件位于第二腔体的上方。

上述方案中，所述绝缘介质层的材料为氧化硅、氮化硅中的一种或两种组合。

上述方案中，所述接触孔的形状为圆形、矩形或十字花形，所述第一腔体和第二腔体的截面形状为矩形或梯形。