本发明专利技术提供了一种基于MEMS技术的热扩散率传感器芯片及其制备方法，传感器芯片包括沉积在SOI晶片上表面的二氧化硅隔离层、淀积在二氧化硅隔离层上表面并经刻蚀后形成的加热器以及温度传感器、以及淀积在二氧化硅隔离层上表面、加热器上表面以及温度传感器上表面的氮化硅保护层，其中，所述SOI晶片的下表面自下表面向上刻蚀有绝热腔，所述加热器位于二氧化硅隔离层上表面的中心位置，所述温度传感器均匀分布在以加热器为中心的径向上。本发明专利技术传感器芯片仅需几微升的样品液体即可在几十秒内完成测量流体导热系数的测量，并且可在很大温度范围内实现测量。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及基于MEMS (微型电子系统)技术的热扩散率传感器芯片，特别是一种基于MEMS技术的热扩散率传感器芯片及其制备方法，用于测量流体热扩散率。
技术介绍
测量流体热扩散率的方法很多，热扩散率是流体重要的传递性质，要确定流体的热扩散率一般可通过理论计算和实验测定两种途径。由于流体分子的堆积结构还没有完整的理论，这些估算所假设的公式和模型比较理想化、简单化，为复杂的实际情况不完全符合，往往产生较大的误差，并且这些方程一般只适用于特定的物系和范围，许多流体依然需要试验测定。因此，实验测量是确定流体热扩散率的重要途径，典型的测量方法有水平平板法、同心圆筒法、热线法、热窄带法、热丝法等。常规的瞬态热线法、热带法测量流体热扩散率的仪器及数据处理过程复杂，而且需要大量样品，测量时间长。从精度上讲，目前认为较好的是热丝法，该方法不但速度快、精度高，而且能有效减少对流的影响，但该方法的设备较复杂，而且适用范围也较窄，不能用于导电液体和粘度大的流体热扩散率的测定，比如不能测定原油和油水混合物的热扩散率等。随着传感器技术、电子技术、MEMS技术、光学技术、流体力学、计算机技术、声学等科学的不断进步，有利地促进了流体热扩散率测量技术的发展，涌现出了新的热扩散率测量方法和装置。如采用热探针测量方法，瞬态双热丝的方法进行热扩散率的测量等，但以上技术虽然能在一定程度上提高测量精度，但依然存在需要样品过多、时间长或设备复杂的情况。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于MEMS技术的热扩散率传感器芯片及其制备方法，通过滴入流体样品覆盖在加热器和传感器上，利用外部电流对加热器加热，然后记录下传感器的温度变化曲线并计算其时间常数，由此得到时间常数与流体导热系数的关系曲线，以此实现热扩散率的测量。本专利技术基于MEMS技术的热扩散率传感器芯片，包括沉积在SOI晶片上表面的二氧化硅隔离层、淀积在二氧化硅隔离层上表面并经刻蚀后形成的加热器以及温度传感器、以及淀积在二氧化硅隔离层上表面、加热器上表面以及温度传感器上表面的氮化硅保护层， 其中，所述SOI晶片的下表面自下表面向上刻蚀有绝热腔，所述加热器位于二氧化硅隔离层上表面的中心位置，所述温度传感器均勻分布在以加热器为中心的径向上。所述加热器和温度传感器由多晶硅形成；所述温度传感器以加热器为中心围成同心圆结构；所述二氧化硅隔离层上表面设置有由引线层经刻蚀后形成的金属引线，该金属引线采用Ti/Cu双层结构；所述Ti层厚度为50 lOOnm。本专利技术基于MEMS技术的热扩散率传感器芯片的制备方法包括以下步骤(1)将SOI晶片的正面在管式炉内在850 1150°C温度下进行干法热氧化，在SOI晶片的上表面形成厚度0. 1 μ m 0. 3 μ m的二氧化硅隔离层；(2)采用低压化学气相淀积技术在步骤1)得到的器件正面淀积0. 2 μ m 0. 3 μ m 厚的多晶硅，通过光刻和刻蚀后形成加热器与温度传感器；(3)在步骤2)得到的器件正面刻蚀引线孔并采用溅射工艺在硅片正面淀积 0. 1 μ m 0. 3 μ m厚的Ti/Cu双层结构引线层，经过光刻和刻蚀后形成内引线；(4)用低压气相淀积技术在步骤3)得到的器件正面淀积0. 2μπι 0. 5μπι厚的氮化硅保护层；(5)采用湿法刻蚀技术在步骤4)得到的器件背面进行背腔腐蚀，形成热隔离腔；(6)采用光刻和刻蚀工艺，将芯片焊盘区域的氮化硅去除，留出焊盘，以便于后续的信号连接；(7)采用金丝球焊或铝丝楔焊等引线键合技术将金丝或铝丝与硅芯片焊盘以及 PCB转接板的焊盘连接起来。本专利技术基于MEMS技术的热扩散率传感器芯片及其制备方法至少具有以下优点 专利技术传感器芯片布局采用中央正方型加热器，温度传感器为环形并分布在不同径向位置。 测量采用瞬态测量法，将该专利技术传感器芯片放在温度可控的恒温箱中，被测流体通过移液管取微升量级滴到芯片上。测量时设定一个初始温度，使恒温箱中的温度恒定在初始温度值。当加热器以恒定的加热功率加热时，温度传感器所测的温度随时间变化的关系不相同， 因而也对应着不同的时间常数。在恒功率加热过程中，用数据记录仪设定一定的时间步长， 通过不断记录各测量时刻温度传感器的温度测量值，从而得到温度与时间的一组数据值， 再由相关数据处理方法得到数据和时间的拟合曲线，确定其时间常数。最终通过扩散系数与时间常数之间的函数关系求得被测样品的热扩散率α。该传感器芯片仅需几微升的样品液体即可在几十秒内完成测量流体导热系数的测量，并且可在很大温度范围内实现测量。附图说明图1为本专利技术基于MEMS技术的热扩散率传感器芯片的剖视图；图2为本专利技术基于MEMS技术的热扩散率传感器芯片的平面图；图3为本专利技术基于MEMS技术的热扩散率传感器芯片的封装结构图。图中的标号如下表示权利要求1.一种基于MEMS技术的热扩散率传感器芯片，其特征在于包括沉积在SOI晶片上表面的二氧化硅隔离层(3)、淀积在二氧化硅隔离层上表面并经刻蚀后形成的加热器(8)以及温度传感器(4)、以及淀积在二氧化硅隔离层上表面、加热器上表面以及温度传感器上表面的氮化硅保护层0)，其中，所述SOI晶片的下表面自下表面向上刻蚀有绝热腔(12)，所述加热器(8)位于二氧化硅隔离层上表面的中心位置，所述温度传感器均勻分布在以加热器为中心的径向上。2.如权利要求1所述的基于MEMS技术的热扩散率传感器芯片，其特征在于所述加热器和温度传感器由多晶硅形成。3.如权利要求1所述的基于MEMS技术的热扩散率传感器芯片，其特征在于所述温度传感器以加热器为中心围成同心圆结构。4.如权利要求1所述的基于MEMS技术的热扩散率传感器芯片，其特征在于所述二氧化硅隔离层上表面设置有由引线层经刻蚀后形成的金属引线，该金属引线采用Ti/Cu双层结构。5.根据权利要求4所述的基于MEMS技术的热扩散率传感器芯片，其特征在于所述Ti 层厚度为50 lOOnm。6.一种基于MEMS技术的热扩散率传感器芯片的制备方法，其特征在于包括以下步骤(1)将SOI晶片的正面在管式炉内在850 1150°C温度下进行干法热氧化，在SOI晶片的上表面形成厚度0. 1 μ m 0. 3 μ m的二氧化硅隔离层；(2)采用低压化学气相淀积技术在步骤(1)得到的器件正面淀积0.2 μ m 0. 3 μ m厚的多晶硅，通过光刻和刻蚀后形成加热器与温度传感器；(3)在步骤(2)得到的器件正面刻蚀引线孔并采用溅射工艺在硅片正面淀积0.1 μ m 0. 3 μ m厚的Ti/Cu双层结构引线层，经过光刻和刻蚀后形成内引线；(4)用低压气相淀积技术在步骤(3)得到的器件正面淀积0.2 μ m 0. 5 μ m厚的氮化硅保护层；(5)采用湿法刻蚀技术在步骤4)得到的器件背面进行背腔腐蚀，形成热隔离腔；(6)采用光刻和刻蚀工艺，将芯片焊盘区域的氮化硅去除，留出焊盘，以便于后续的信号连接；(7)采用金丝球焊或铝丝楔焊等引线键合技术将金丝或铝丝与硅芯片焊盘以及PCB转接板的焊盘连接起来。全文摘要本专利技术提供了一种基于MEMS技术的热扩散率传感器芯片及其制备方法，传感器芯片包括沉积在SOI晶片上表面的二氧化硅隔离层、淀积在二氧化硅隔离层上表面并经刻蚀后形成的加热器以及温度传感器、本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：周睿，蒋庄德，李支康，赵玉龙，王晓坡，刘志刚，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。