一种MEMS质量流量控制器及控制方法技术

本发明专利技术公开了一种MEMS质量流量控制器及控制方法，包括壳体以及位于壳体内部的质量流量传感器和微加热器，所述壳体包括下基板及上盖板及由二者围成的气流通道；质量流量传感器固定在下基板上，且位于靠近气流通道的入口一侧；微加热器通过导热介质固定在上盖板上，且位于靠近气流通道的出口一侧。本发明专利技术所公开的MEMS质量流量控制器利用质量流量传感器对气体流量进行测量并实时反馈，作为调节微加热器功率的依据，进而利用导热介质热胀冷缩引起的形变实现对微小流量的高精度控制，本发明专利技术具有结构简单、体积小、成本低、制备可控性强的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种MEMS质量流量控制器及控制方法
本专利技术涉及流量测控
，特别涉及一种MEMS质量流量控制器及控制方法。
技术介绍
流量测量和控制是工业生产和科学研究的基本需求。质量流量控制器作为一种能够直接对气体的质量流量进行测量和控制的器件，在半导体和集成电路、石油化工、真空镀膜、医药、环保等诸多领域发挥着重要作用。质量流量控制器的核心部件包括质量流量传感器和电磁调节阀。其中，传感器可实现对气体质量流量的精确测量，电磁调节阀则可根据测量结果对流量进行调节、控制。目前，国内的质量流量控制器中，传感器通常利用毛细管传热温差量热法的原理，在毛细管的上下游各制作一组热敏电阻丝，并外接两个精密电阻，构成电桥结构。工作时，对电桥进行加热，若有气流通过，则会导致上下游的热敏电阻丝温度不同，电桥输出一个正比于气体质量流量的电压信号。电磁调节阀通常由许多精密机加工而成的零部件装配而成。这种控制器的制作工艺复杂，价格昂贵，控制微小流量时精度差；此外，长期使用还存在零飘和颗粒物污染的问题，维护成本高。随着MEMS技术的快速发展，采用该技术制作的传感器和执行器因具有结构简单、体积小、成本低、精度高等诸多优点而备受关注。因此，发展一种MEMS质量流量控制器具有重要意义。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种MEMS质量流量控制器及控制方法，具有结构简单、体积小、成本低、制备可控性强的特点，适合微小流量的高精度控制。为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种MEMS质量流量控制器，包括壳体以及位于壳体内部的质量流量传感器和微加热器，所述壳体包括下基板及上盖板及由二者围成的气流通道；质量流量传感器固定在下基板上，且位于靠近气流通道的入口一侧；微加热器通过导热介质固定在上盖板上，且位于靠近气流通道的出口一侧；所述质量流量传感器包括：衬底一，设有沿上下向贯通的隔热腔体一；支撑层一，形成于衬底一及隔热腔体一上；加热元件一，形成于支撑层一的上表面，且局部位于隔热腔体一的上方；感温元件，形成于支撑层一的上表面，两个感温元件对称分布在加热元件一的两侧，且局部位于隔热腔体一的上方；金属层，形成于支撑层一的上表面；绝缘层一，覆盖加热元件一、感温元件及金属层，且绝缘层一上通过局部刻蚀形成暴露出部分金属层的接触孔一；所述微加热器包括：衬底二，由衬底二上表面向内凹入形成隔热腔体二；支撑层二，形成于衬底二及隔热腔体二上；加热电阻二和电极，形成于支撑层二的上表面，且加热电极二位于隔热腔体二的上方；绝缘层二，覆盖加热电阻一及电极，并局部刻蚀出接触孔二以暴露部分电极。上述方案中，所述质量流量传感器和微加热器采用MEMS工艺制作而成，所述质量流量传感器通过粘接的方法固定在下基板上。更进一步的技术方案中，所述衬底一及衬底二为半导体衬底，包括硅衬底、锗衬底、SOI衬底、GeOI衬底的一种。更进一步的技术方案中，所述支撑层一、支撑层二、绝缘层一、绝缘层二的材料为氧化硅、氮化硅的一种或两种组合。更进一步的技术方案中，所述加热元件一、加热元件二的材料为P型多晶硅、N型多晶硅、金属的一种。更进一步的技术方案中，所述感温元件为热敏电阻或热电堆；其中，热敏电阻的材料为具有正/负温度系数的金属，热电堆的材料为P型多晶硅/N型多晶硅的组合，或P型多晶硅/金属的组合，或N型多晶硅/金属的组合。更进一步的技术方案中，所述金属层和电极的材料为金属钛、钨、铬、铂、铝、金中的一种或多种组合。更进一步的技术方案中，所述导热介质采用不漏气、热胀冷缩的材料。一种MEMS质量流量控制方法，采用上述的MEMS质量流量控制器，气体从气流通道的入口通入壳体后，沿着气流通道从出口排出，期间经质量流量传感器测得其质量流量，并反馈给后端处理电路与给定值进行比较，随后利用该反馈动态调节微加热器的功率，控制导热介质的膨胀程度，即控制气流通道的大小，从而实现对微小气体流量的精确控制。通过上述技术方案，本专利技术提供的MEMS质量流量控制器具有如下有益效果：本专利技术提供的MEMS质量流量控制器采用MEMS工艺制作，具有结构简单、体积小、成本低的特点，且避免了复杂的制备工艺，可控性强；本专利技术利用MEMS质量流量传感器对气体流量进行精确测量，并将测量电压作为反馈量，用于指导调节微加热器的功率，进而利用导热介质在高温下膨胀引起的形变实现对流量的精确控制，因此，本专利技术提供的MEMS质量流量控制器稳定性高，可实现微小流量的高精度测量和控制。此外，还可通过调整导热介质的厚度来调节流量的控制范围。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。图1为本专利技术实施例所公开的一种MEMS质量流量控制器的结构示意图(初始状态)；图2为本专利技术实施例所公开的一种MEMS质量流量控制器的结构示意图(工作状态)；图3为本专利技术实施例所采用的质量流量传感器的剖面示意图；图4为本专利技术实施例所采用的微加热器的剖面示意图。图中，1、壳体；101、下基板；102、上盖板；103、气流通道；104、入口；105、出口；2、质量流量传感器；3、微加热器；4、导热介质；201、衬底一；202、支撑层一；203、加热元件一；204、感温元件；205、金属层；206、绝缘层；207、接触孔一；208、隔热腔体一；301、衬底二；302、支撑层二；303、加热元件二；304、电极；305、绝缘层二；306、接触孔二；306、隔热腔体二。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本专利技术提供了一种MEMS质量流量控制器，请参阅图1和图2，包括壳体1、质量流量传感器2、微加热器3和导热介质4；壳体1包括下基板101及上盖板102及由二者围成的气流通道103；质量流量传感器2固定在下基板101上，且位于靠近气流通道103的入口104一侧，用于气流流量的测量；微加热器3通过导热介质4固定在上盖板102上，且位于靠近气流通道103的出口105一侧，用于气流流量的控制；此外，质量流量传感器2和微加热器3还对气流通道103起到限定作用。使气流沿图示方向流动。具体地，壳体1采用不漏气的坚硬材料，下基板101和上盖板102通过焊接、压接、紧固、卡扣等方法连接固定，气流通道103的截面形状为圆形或多边形；在本专利技术的实施例中，壳体1的材料为铝合金，下基板101和上盖板102通过紧固的方法连接固定，气流通道103的截面形状为矩形。具体地，质量流量传感器2采用MEMS工艺制作而成，并通过粘接的方法固定在下基板101上。请参阅图3，在本专利技术的实施例中，质量流量传感器2包括：衬底一201，设有沿上下向贯通的隔热腔体一208；支撑层一202，形成于衬底一201及隔热腔体一208上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MEMS质量流量控制器，其特征在于，包括壳体以及位于壳体内部的质量流量传感器和微加热器，所述壳体包括下基板及上盖板及由二者围成的气流通道；质量流量传感器固定在下基板上，且位于靠近气流通道的入口一侧；微加热器通过导热介质固定在上盖板上，且位于靠近气流通道的出口一侧；/n所述质量流量传感器包括：/n衬底一，设有沿上下向贯通的隔热腔体一；/n支撑层一，形成于衬底一及隔热腔体一上；/n加热元件一，形成于支撑层一的上表面，且局部位于隔热腔体一的上方；/n感温元件，形成于支撑层一的上表面，两个感温元件对称分布在加热元件一的两侧，且局部位于隔热腔体一的上方；/n金属层，形成于支撑层一的上表面；/n绝缘层一，覆盖加热元件一、感温元件及金属层，且绝缘层一上通过局部刻蚀形成暴露出部分金属层的接触孔一；/n所述微加热器包括：/n衬底二，由衬底二上表面向内凹入形成隔热腔体二；/n支撑层二，形成于衬底二及隔热腔体二上；/n加热电阻二和电极，形成于支撑层二的上表面，且加热电极二位于隔热腔体二的上方；/n绝缘层二，覆盖加热电阻一及电极，并局部刻蚀出接触孔二以暴露部分电极。/n

【技术特征摘要】
1.一种MEMS质量流量控制器，其特征在于，包括壳体以及位于壳体内部的质量流量传感器和微加热器，所述壳体包括下基板及上盖板及由二者围成的气流通道；质量流量传感器固定在下基板上，且位于靠近气流通道的入口一侧；微加热器通过导热介质固定在上盖板上，且位于靠近气流通道的出口一侧；
所述质量流量传感器包括：
衬底一，设有沿上下向贯通的隔热腔体一；
支撑层一，形成于衬底一及隔热腔体一上；
加热元件一，形成于支撑层一的上表面，且局部位于隔热腔体一的上方；
感温元件，形成于支撑层一的上表面，两个感温元件对称分布在加热元件一的两侧，且局部位于隔热腔体一的上方；
金属层，形成于支撑层一的上表面；
绝缘层一，覆盖加热元件一、感温元件及金属层，且绝缘层一上通过局部刻蚀形成暴露出部分金属层的接触孔一；
所述微加热器包括：
衬底二，由衬底二上表面向内凹入形成隔热腔体二；
支撑层二，形成于衬底二及隔热腔体二上；
加热电阻二和电极，形成于支撑层二的上表面，且加热电极二位于隔热腔体二的上方；
绝缘层二，覆盖加热电阻一及电极，并局部刻蚀出接触孔二以暴露部分电极。


2.根据权利要求1所述的一种MEMS质量流量控制器，其特征在于，所述质量流量传感器和微加热器采用MEMS工艺制作而成，所述质量流量传感器通过粘接的方法固定在下基板上。


3.根据权利要求1所述的一种MEMS质量流量控制器，其特征在于，所述衬底一及衬底二...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡国庆，田伟，
申请(专利权)人：青岛芯笙微纳电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37