基于MEMS的耐高温柔性流速传感器芯片及其制备方法

技术领域

本发明属于微机电传感器技术领域，具体涉及基于MEMS的耐高温柔性流速传感器芯片及其制备方法。

背景技术

随着微机械电子系统技术的发展，微机电系统(MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem)流速传感器已被广泛应用于航空航天、工业测控、医疗监测等多个领域；随着各领域飞速的发展，对传感器性能、体积等的要求愈发严格，MEMS传感器无疑是十分理想的选择，特别是与柔性衬底材料相结合后，可适应各种复杂的测量表面，使得MEMS流速传感器展现出更广阔的应用场景。

MEMS热式流速传感器采用的测量原理有很多，根据具体检测原理的不同，一般地，热式流速传感器主要有热损失、热温差和热脉冲三种类型。单原理的测量方法可测流速范围较窄，通常只能测量10

同时，目前用于制作柔性MEMS热式流速传感器的衬底主要为柔性聚合物材料，材料导热系数越小，热电阻与衬底之间的热传导越少，通过流体带走的热量越多，从而提高传感器的灵敏度。由于聚酰亚胺(Polyimide，PI)的导热系数较低(0.12-0.15WK·m

发明内容

本发明提供了基于MEMS的耐高温柔性流速传感器芯片及其制备方法，扩大柔性流速传感器的量程。

为达到上述目的，本发明所述基于MEMS的耐高温柔性流速传感器芯片，包括柔性衬底和布置在柔性衬底上的温度补偿电阻对、测温电阻对和加热电阻；

所述温度补偿电阻对包括关于加热电阻对称布置的上游补偿电阻条和下游补偿电阻条；所述测温电阻对包括第一测温上游电阻、第一测温下游电阻、第二测温上游电阻和第二测温下游电阻；所述第一测温上游电阻和第二测温上游电阻设置在上游补偿电阻条和加热电阻之间，所述第二测温上游电阻和第二测温下游电阻设置在下游补偿电阻条和加热电阻之间；所述第一测温上游电阻、第一测温下游电阻和两个外接电阻连接成第一惠斯通电桥；所述第二测温上游电阻、第二测温下游电阻和两个外接电阻连接成第二惠斯通电桥；所述上游补偿电阻条、下游补偿电阻条、加热电阻和三个外接电阻连接成第三惠斯通电桥。

进一步的，惠斯通电桥包括加热电阻R

进一步的，外接电阻R

(R

其中，R

进一步的，惠斯通电桥的输出端均连接至数字处理单元，所述数字处理单元用于根据惠斯通电桥的输出电压输出流速。

进一步的，柔性衬底底部开设有空腔。

进一步的，加热电阻、上游补偿电阻条和下游补偿电阻条和均为热敏电阻。

进一步的，上游补偿电阻条、下游补偿电阻条、第一测温上游电阻、第二测温上游电阻、第一测温下游电阻、第二测温下游电阻和加热电阻通过金属引线连接至金属焊盘，通过金属焊盘连接成惠斯通电路。

基于MEMS的耐高温柔性流速传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、在硅片正面制备过渡层；

步骤2、在过渡层上涂胶光刻后，沉积单层薄膜金属，经剥离工艺图形化为多个均匀布置凸起结构；

步骤3、在步骤2得到的结构上制备衬底，所述衬底为掺杂SiO

步骤4、在衬底上匀涂胶光刻后，沉积单层薄膜金属钛做为种子层，然后依次沉积单层薄膜金属铂和单层薄膜金属金，经剥离工艺图形化为中心的温度补偿电阻对、加热电阻结构、两对测温电阻结构与引线结构焊盘结构，引线结构包括第一至第十四金属引线，焊盘结构包括第一至第十四焊盘；

步骤5、去除过渡层，从过渡层上释放具有热电阻、测温电阻以及焊盘结构的衬底，制作出MEMS柔性耐高温流速传感器芯片。

进一步的，步骤3的过程为：在步骤2得到的结构上匀涂SiO

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

传统的热流传感器采用单一测温原理实现流速测量，其测温范围具有局限性，难以满足实际测试需求；为了解决这一问题，本发明在热电阻周围对称布置测温电阻对，通过公用中央的加热电阻的方式，实现热损失和热温差两种测温原理的结合，有效提高了传感器的测速范围，该MEMS热式流速传感器具有测量范围广，具备更广泛的应用领域。

为了进一步提升传感器测量的精度，设置了两个测温电阻对，加热电阻近端的测温电阻对用于较低流速的测量，远端的测温电阻对用于极低流速的测量，通过热流场耦合仿真，确定不同距离的测温电阻对的测速范围，并选定保证灵敏度和精度条件下的点组对的距离。极大地提升了传感器的适用范围。

为了进一步降低传感器功耗，提升传感器灵敏度，在热敏电阻下方设置空腔，由于空气导热系数远低于衬底材料，可以有效降低热电阻通过衬底在垂直方向的热量损失，使得热量更多地作用于测温电阻，从而提升传感器性能。

本发明所述的传感器芯片的制备方法，制作方法简单、可靠性高、易于批量化生产、成本低。

进一步的，为了提升传感器的耐温性能，在聚酰亚胺衬底中掺杂SiO

附图说明

图1为本发明正面示意图；

图2为本发明背面示意图；

图3为本发明的透视图；

图4为本发明的剖视图；

图5为图1中A处的局部放大图；

图6a为加热电阻分布示意图；

图6b为测温电阻分布示意图；

图6c为温度补偿电阻分布示意图；

图7为本发明的测温电阻对连接构成的惠斯通电桥示意图；

图8为本发明的加热电阻对与温度补偿电阻对连接构成的惠斯通电桥示意图；

图9为感器多路数字输出采样系统图；

图10为本发明的制作工艺示意图。

附图中：1、柔性衬底，2-温度补偿电阻对，2-1、上游补偿电阻条，2-2、下游补偿电阻条，3、测温电阻对，3-1、第一测温上游电阻，3-2、第二测温上游电阻，3-3、第一测温下游电阻，3-4、第二测温下游电阻，4、加热电阻，5、空腔，6、引线结构，6-1、第一金属引线，6-2、第二金属引线，6-3、第三金属引线，6-4、第四金属引线，6-5、第五金属引线，6-6、第六金属引线，6-7、第七金属引线，6-8、第八金属引线，6-9、第九金属引线，6-10、第十金属引线，6-11、第十一金属引线，6-12、第十二金属引线，6-13、第十三金属引线，6-14、第十四金属引线，7-1、第一焊盘，7-2、第二焊盘，7-3、第三焊盘，7-4、第四焊盘，7-5、第五焊盘，7-6、第六焊盘，7-7、第七焊盘，7-8、第八焊盘，7-9、第九焊盘，7-10、第十焊盘，7-11、第十一焊盘，7-12、第十二焊盘，7-13、第十三焊盘，7-14、第十四焊盘，8、硅片，9、过渡层，10、凸起结构。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1至图2，基于MEMS的耐高温柔性流速传感器芯片，包括柔性衬底1和布置在柔性衬底1上的温度补偿电阻对2、测温电阻对3、加热电阻4、十二根金属引线和十二个金属焊盘。柔性衬底1背面开设有空腔5，空腔5为立方体、长方体或圆柱形。

参照图1，温度补偿电阻对2包括上游补偿电阻条2-1和下游补偿电阻条2-2，上游补偿电阻条2-1和下游补偿电阻条2-2和均为热敏电阻；测温电阻对3包括第一测温电阻对和第二测温电阻对，第一测温电阻对包括第一测温上游电阻3-1和第一测温下游电阻3-3，第二测温电阻对包括第二测温上游电阻3-2和第二测温下游电阻3-4。

加热电阻4为热敏电阻，布置在柔性衬底1中央位置，加热电阻4两侧对称设置有第二测温上游电阻3-2和第二测温下游电阻3-4，第二测温上游电阻3-2外侧为第一测温上游电阻3-1，第二测温下游电阻3-4外侧为第一测温下游电阻3-3，第一测温上游电阻3-1和第一测温下游电阻3-3关于加热电阻4对称布置。第一测温上游电阻3-1外侧为上游补偿电阻条2-1，第一测温下游电阻3-3外侧为下游补偿电阻条2-2。

参照图3和图4，上游补偿电阻条2-1第一端通过第十一金属引线6-11与第四焊盘7-4连接，第二端通过第一金属引线6-1与第五焊盘7-5连接；下游补偿电阻条2-2第一端通过第十二金属引线6-12与第十二焊盘7-12连接，第二端通过第七金属引线6-7与第十一焊盘7-11连接。

参照图3至图6c，第一测温上游电阻3-1第一端通过第十金属引线6-10与第三焊盘7-3连接，第二端通过第二金属引线6-2与第六焊盘7-6连接；

第一测温下游电阻3-3第一端通过第十三金属引线6-13与第十三焊盘7-13连接，第二端通过第六金属引线6-6与第十焊盘7-10连接；

第二测温上游电阻3-2第一端通过第九金属引线6-9与第二焊盘7-2连接，第二端通过第三金属引线6-3与第七焊盘7-7连接；

第二测温下游电阻3-4第一端通过第十四金属引线6-14与第十四焊盘7-14连接，第二端通过第五金属引线6-5与第九焊盘7-9连接。

加热电阻4第一端通过第八金属引线6-8与第一焊盘连接7-1，第二端通过第四金属引线6-4与第八焊盘7-8连接。

第一焊盘7-1与高速测量电路电压输出端相连；

第二焊盘7-2与第一路低速测量电路电压输出端相连；

第三焊盘7-3与第二路低速测量电路电压输出端相连；

第四焊盘7-4与高速测量电路中电阻R

第五焊盘7-5与高速测量电路中外电阻R

第六焊盘7-6与第一路低速测量电路电压输入端相连；

第七焊盘7-7与第二路低速测量电路电压输入端相连；

第八焊盘7-8与高速测量电路接地端相连；

第九焊盘7-9与第二路低速测量电路电压输入端相连；

第十焊盘7-10与第二路低速测量电路电压输入端相连；

第十一焊盘7-11与高速测量电路中电阻R

第十二焊盘7-12与高速测量电路接地端相连；

第十三焊盘7-13与第一路低速测量电路电压输出端相连；

第十四焊盘7-14与第二路低速测量电路电压输出端相连。

本发明工作原理为：

如图7所示，每对测温电阻的上游测温电阻R

对于热温差型惠斯通电桥电路，无流速时，同一测温热电阻对的上游热电阻R

有流速时，同一测温电阻对的上游热电阻R

如图8所示，所述的加热电阻R

对于热损失型惠斯通电桥电路，电路基于惠斯通电桥实现温度补偿。其中，V

在初始条件下，若将(R

(R

当电桥处于平衡状态时，电路中V

输出电压V

其中R

V

其中，I

在采集到的一路高流速和两路低流速的测量信号后进行数据处理，基于CS1238(模拟转数字转化器)进行数据采样，将各路测控电路输出的模拟量转化为数字量，同时在ADC转换的程序中添加了均值滤波算法进行采样数据的处理，使得采样的结果更加精确。之后基于STM32进行信号处理，将产生的三路流速模拟信号分别依次经过滤波、放大和模数转换(ADC)后形成对应的流速数字信号，并传递到数字处理单元，如图9所示。数字处理单元根据已标定的流速数据列表记录的速度测量饱和值，自动在三路量程信号间切换并无缝生成单输出流速信号。基于CH340芯片将UART接口信号转为USB信号，用于和电脑连接传输数据。

所述的两路热温差型惠斯通电桥电路与一路热损失型惠斯通电桥电路用于极低流速到高流速的测量，测量的流速范围为0～30m/s。其中极低流速的测量，测量的流速范围为0～3.1m/s；高流速的测量，测量的流速范围为3.1～30m/s。

本发明提出的传感器芯片，具有宽量程、耐高温、高灵敏度等特点，可适应于0℃～540℃的高温恶劣工况对0～30m/s的流速进行测量。

本发明芯片的制备方法如下：

参照图10所示，一种具有空腔结构的耐高温流速传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、在硅片8正面制备过渡层9，所述的过渡层9位于硅片8顶面，为气相物理沉积的铝膜，过渡层9厚度为300nm；

步骤2、在过渡层9上匀涂胶光刻后，通过气相物理沉积单层薄膜金属铝，经剥离工艺图形化为多个均匀布置的厚度为20μm的用于形成深腔的长方形块状凸起结构10；

步骤3、在步骤2得到的结构上匀涂SiO

步骤4、在衬底1上匀涂胶光刻后，通过气相物理沉积单层薄膜金属钛做为种子层，先沉积单层薄膜金属铂300nm，再沉积单层薄膜金属金100nm，经剥离工艺图形化为中心的温度补偿电阻对2、加热电阻4、两对测温电阻结构与引线结构6和焊盘结构7；

步骤5、湿法刻蚀去除金属过渡层9，从过渡层9上释放具有热电阻、测温电阻以及焊盘结构7的衬底1，制作出MEMS柔性耐高温流速传感器芯片。

本发明所达到的主要技术指标如下：

1、测量范围：0～30m/s；

2、灵敏度：大于45K·s/m.；

3、工作温度：26～450℃；

4、分辨力：大于0.1m/s；

5、柔性可穿戴。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书面对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。