一种MEMS流量传感芯片及其制造方法和流量传感器技术

本发明专利技术提供了一种MEMS流量传感芯片及其制造方法和流量传感器，涉及流量测试领域，为解决现有热式质量流量传感芯片容易受到气体组分变化的影响，导致此类流量传感器应用受到限制的问题而设计。该MEMS流量传感芯片包括基体和设置于基体的多个传感元件，多个传感元件包括量热元件、飞行时间感测元件和风速感测元件，基体设置有加热元件，加热元件用于为飞行时间感测元件、量热元件和风速感测元件提供热量，飞行时间感测元件被配置为计量流体的体积流量和流体的热物性值，量热元件和风速感测元件被配置为计量流体的质量流量和流速。本发明专利技术提供的MEMS流量传感芯片及流量传感器在测量质量流量过程中可同时测量气体的热物性、流速和体积流量。

【技术实现步骤摘要】
一种MEMS流量传感芯片及其制造方法和流量传感器
本专利技术涉及流量测试领域，具体而言，涉及一种MEMS(MicroElectroMechanicalSystem，微机电系统)传感芯片及其制造方法和流量传感器。
技术介绍
热式质量流量传感器主要通过介质中的热传导原理来感测介质流量，其中，加热元件提供恒定的温度或恒定的功率，而位于加热元件上游和下游的传感元件测量与质量相关的温度变化流动介质的流量。这种测量方式由于不受温度和压力的影响，因此，对于气体的计量具有极大的吸引力，近年来在医疗、工业过程控制、物联网及城市天然贸易计量获得了越来越多的应用。但由于传统的热质量流量测量对气体组分敏感，对于组分复杂气体的计量具有附加的不确定度乃至较大的偏差，从而限制了这一技术的应用范围。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的在于提供一种MEMS流量传感芯片，以解决现有热式质量流量传感芯片容易受到气体组分变化的影响，导致此类流量传感器应用受到限制的技术问题。本专利技术提供的MEMS流量传感芯片，包括基体和设置于所述基体的多个传感元件，多个传感元件包括量热元件、飞行时间感测元件和风速感测元件，所述飞行时间感测元件设置在所述风速感测元件与所述量热元件之间的流体流动路径上，所述基体设置有加热元件，所述加热元件用于为所述飞行时间感测元件、所述量热元件和所述风速感测元件提供热量，其中，所述飞行时间感测元件被配置为计量流体的体积流量和流体的热物性值，所述量热元件和所述风速感测元件被配置为计量流体的质量流量和流速。进一步地，多个所述传感元件中，还包括感温元件，所述感温元件设置于所述风速感测元件的上游，所述感温元件用于感测流体的环境温度。进一步地，所述飞行时间感测元件的数量为两个，两个所述飞行时间感测元件分别位于所述加热元件的上游和下游，或者，两个所述飞行时间感测元件均位于所述加热元件的下游。进一步地，所述基体包括依次层叠设置的芯片层、绝缘层和硅器件层，多个所述传感元件均设置于所述硅器件层。进一步地，所述基体具有相背设置的第一面和第二面，其中，所述第一面设置有第一氮化硅层，所述第二面设置有第二氮化硅层，多个所述传感元件设置于所述第一氮化硅层。进一步地，所述基体设置有隔热腔，所述隔热腔被配置为阻止所述加热元件产生的热量向所述基体传导。进一步地，所述加热元件包括微加热器，所述微加热器同时为所述飞行时间感测元件和所述风速感测元件提供热量。进一步地，所述基体开设有通孔，所述通孔填充有导电材料，以形成导电路径，多个所述传感元件均电连接至所述导电路径。本专利技术MEMS流量传感芯片带来的有益效果是：该MEMS流量传感芯片在工作时，加热元件工作，用于为飞行时间感测元件、量热元件和风速感测元件提供热量，加热元件中，热调制波或热脉冲用于飞行时间感测，脉冲幅度用于量热感测。当流体经过该MEMS流量传感芯片时，量热元件和风速感测元件对流体的质量流量f(v，P，T)和速度进行测量，飞行时间感测元件则对流体的体积流量f(v)以及热物性值进行测量，具体地，在流体流动的过程中，流体的流动改变微热源的温度分布，量热元件和风速感测元件通过测量流体中的导热分子数量获得流体的质量流量和速度；飞行时间感测元件则根据流体的流速获得流体的体积流量和热物性。这种MEMS流量传感芯片将用于测量流体质量流量的感测元件和用于测量流体体积流量及热物性的感测元件集成至同一基体，从而能够同时获得流体的质量流量和体积流量及热物性，在测量过程中测量到气体组分变化的影响，从而能够消除组分变化的影响，实现与组分无关的质量流量测量。本专利技术的第二个目的在于提供一种制造方法，以制造上述MEMS流量传感芯片。本专利技术提供的制造方法，用于制造上述MEMS流量传感芯片，包括如下步骤：在基体的第一面和第二面沉积氮化硅；在基体开设通孔，并向通孔填充导电材料，以形成导电路径；将加热元件和多个传感元件沉积至基体的第一面，并与导电路径连接；在基体的与加热元件相对的一面挖槽，以形成隔热腔。进一步地，还包括步骤：在基体开设第一沉台和第二沉台，使基体具有位于第一沉台和第二沉台之间的基座，其中，第一沉台用于安装感温元件，第二沉台用于形成导电路径的接入点，基座用于安装量热元件、飞行时间感测元件和风速感测元件。进一步地，还包括步骤：利用分步干法蚀刻工艺对基座靠近导电路径的立面进行加工，使基座的尖锐边缘成为斜面。进一步地，还包括步骤：在所述将加热元件和多个传感元件沉积至基体的第一面，并与导电路径连接的这一步骤之前，对导电路径的两端进行金属化处理。进一步地，还包括步骤：在所述将加热元件和多个传感元件沉积至基体的第一面，并与导电路径连接这一步骤之后，对基体第一面的所有区域进行表面钝化，以覆盖基体的第一面和设置于第一面的加热元件和多个传感元件。进一步地，还包括步骤：在基体的第二面设置焊盘，并使焊盘电连接至导电路径。本专利技术制造方法带来的有益效果是：制造MEMS流量传感芯片时，分别在基体的第一面和第二面沉积氮化硅，对基体的表面进行钝化处理，以增强MEMS流量传感芯片的耐腐蚀性；并在基体开设通孔，向通孔填充导电材料，利用填充于通孔的导电材料形成MEMS流量传感芯片的导电路径，以实现MEMS流量传感芯片与相应模块的电连接；使加热元件和多个传感元件沉积至基体的第一面，并使之与导电路径连接，从而实现加热元件和多个传感元件与相应模块之间的信号传递；在基体的与加热元件相对的一面挖槽，使基体形成隔热腔，为加热元件提供与流体介质的热隔离，从而确保了加热元件的灵敏度。利用上述制造方法获得的MEMS流量传感芯片，在实现MEMS流量传感芯片基本功能的同时，在封装时避免了绑定金属连线，从而具有较好的耐腐蚀性和较高的测量灵敏度。本专利技术的第三个目的在于提供一种流量传感器，以解决现有传感芯片容易受到气体组分变化的影响，导致流量传感器应用受到限制的技术问题。本专利技术提供的流量传感器，包括上述MEMS流量传感芯片。本专利技术流量传感器带来的有益效果是：通过在流量传感器中设置上述MEMS流量传感芯片，相应地，该流量传感器具有上述MEMS流量传感芯片的所有优势，在此不再一一赘述。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的MEMS流量传感芯片的结构示意图；图2为用于制造本专利技术实施例提供的MEMS流量传感芯片的过程示意图一；图3为用于制造本专利技术实施例提供的MEMS流量传感芯片的过程示意图二；图4为用于制造本专利技术实施例提供的MEMS流量传感芯片的过程示意图三；图5为用于制造本专利技术实施例提供的MEMS流量传感芯片的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MEMS流量传感芯片，其特征在于，包括基体(100)和设置于所述基体(100)的多个传感元件，多个传感元件包括量热元件(210)、飞行时间感测元件和风速感测元件(240)，所述飞行时间感测元件设置在所述风速感测元件(240)与所述量热元件(210)之间的流体流动路径上，所述基体(100)设置有加热元件(230)，所述加热元件(230)用于为所述飞行时间感测元件、所述量热元件(210)和所述风速感测元件(240)提供热量，其中，所述飞行时间感测元件被配置为计量流体的体积流量和流体的热物性值，所述量热元件(210)和所述风速感测元件(240)被配置为计量流体的质量流量和流速。/n

【技术特征摘要】
1.一种MEMS流量传感芯片，其特征在于，包括基体(100)和设置于所述基体(100)的多个传感元件，多个传感元件包括量热元件(210)、飞行时间感测元件和风速感测元件(240)，所述飞行时间感测元件设置在所述风速感测元件(240)与所述量热元件(210)之间的流体流动路径上，所述基体(100)设置有加热元件(230)，所述加热元件(230)用于为所述飞行时间感测元件、所述量热元件(210)和所述风速感测元件(240)提供热量，其中，所述飞行时间感测元件被配置为计量流体的体积流量和流体的热物性值，所述量热元件(210)和所述风速感测元件(240)被配置为计量流体的质量流量和流速。


2.根据权利要求1所述的MEMS流量传感芯片，其特征在于，多个所述传感元件中，还包括感温元件(250)，所述感温元件(250)设置于所述风速感测元件(240)的上游，所述感温元件(250)用于感测流体的环境温度。


3.根据权利要求1所述的MEMS流量传感芯片，其特征在于，所述飞行时间感测元件的数量为两个，两个所述飞行时间感测元件分别位于所述加热元件(230)的上游和下游，或者，两个所述飞行时间感测元件均位于所述加热元件(230)的下游。


4.根据权利要求1-3任一项所述的MEMS流量传感芯片，其特征在于，所述基体(100)包括依次层叠设置的芯片层(130)、绝缘层(120)和硅器件层(110)，多个所述传感元件均设置于所述硅器件层(110)。


5.根据权利要求1-3任一项所述的MEMS流量传感芯片，其特征在于，所述基体(100)具有相背设置的第一面(111)和第二面(131)，其中，所述第一面(111)设置有第一氮化硅层(112)，所述第二面(131)设置有第二氮化硅层(132)，多个所述传感元件设置于所述第一氮化硅层(112)。


6.根据权利要求1-3任一项所述的MEMS流量传感芯片，其特征在于，所述基体(100)设置有隔热腔，所述隔热腔被配置为阻止所述加热元件(230)产生的热量向所述基体(100)传导。


7.根据权利要求1-3任一项所述的MEMS流量传感芯片，其特征在于，所述加热元件(230)包括微加热器，所述微加热器同时为所述飞行时间感测元件和所述风速感测元件(240)提供热量。


8.根据权利要求1-3任一项所述的MEMS流量传感芯片，其特征在于，所述基体(100)开设有通孔(140)...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄立基，
申请(专利权)人：矽翔微机电杭州有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33