专利名称：一种基于mems技术的流量计芯片的测量部件及其制作方法
一种基于MEMS技术的流量计芯片的测量部件及其制作方
法
(-)技术领 域本发明属于MEMS系统设计与应用领域，尤其是一种基于MEMS技术的流量计芯片的测量部件，当流体流过热电偶结构时会改变热电偶的热场，产生温度差，由此可以测量流体的流速。
背景技术：
MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)是微机电系统的缩写。MEMS 是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统，目前MEMS加工技术又被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。MEMS技术正发展成为一个巨大的产业，就像近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷嘴和硬盘驱动头等。大多数工业观察家预测，未来5年MEMS器件的销售额将呈迅速增长之势，年平均增加率约为18%，因此对对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。MEMS是一种全新的必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域，相对于传统的机械，它们的尺寸更小，最大的不超过一个厘米，甚至仅仅为几个微米，其厚度就更加微小。 采用以硅为主的材料，电气性能优良，硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝类似，热传导率接近钼和钨。采用与集成电路(IC)类似的生成技术，可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺，进行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。MEMS系统包括了微小的机械和电力部件。MEMS结构的微感应器可以用来感应或测量压力、流速、加速度、温度、压力以及其他物理量。一个微感应器可以把环境量，比如流速、 压强、温度转化成电信号。我们给这样的感应器的电信号制定一个标准，这样感应器所在的环境量就可以测量了。MEMS流量计的基本原理是很简单的，一个带有测量电路的热电偶就可以用作一个简单的流量计当流体流过热电偶时，会使热点偶的热场发生改变，热电偶两端的温度感应装置就会产生温度差，若已知流体的各项热学参数，通过对温度差的测量就可以得到与之对应的流速。基于MEMS的流量计，可以用来测量流速，不论是在工业、商业还是医疗应用方面， 都有很大的应用需求。在许多医疗、工业方面的应用实例中，从小尺度的便携式的气压机到大尺度的植物的种植，都需要用到流量计。考虑到流量计实际应用中的具体情况，目前普遍使用的MEMS流量计需要在以下几个方面进行改进1、测量电路改进测量电路，可以减少来自测量电信号的误差；2、温度感应装置的精度使用更合理的结构，更合适的材料，从而减少温度测量值和实际值之间的误差；3、流体通道的结构长时间的使用，会使流体中的各种碎片、杂质、污染物等附着在流量计的结构上，从而影响长期测量的稳定性和使用寿命。改进流体通道的结构可以减少或者是清理这些附着物。 现在公认的是，测量电路使用惠斯通电桥的结构可以得到最优的信号，所以迫切需要改进的是感应装置的精度和通道结构设计的问题。

发明内容
本发明的目的在于设计一种基于MEMS技术的流量计芯片的测量部件，它能够解决现有技术的不足，具有较低的测量误差、较高的寿命和长期测量的稳定性。本发明的技术方案一种基于MEMS技术的流量计芯片的测量部件，其特征在于它包括一个带有流体通道的硅基，硅基及通道上方有一层薄的、表面粘度低的、导热性良好的绝缘层，绝缘层上方是感应元件朝下的测量装置，绝缘层上方部分连接到电路中并封装。上述所说的感应元件朝下的测量装置按照测量阵列分布，测量阵列中包含nXn 个测量单元，阵列所在的平面沿流体管道的直径方向；每个半径向上的测量单元的位置与管道中心的距离有以下的关系=及 /^l其中 i = 1、2……η ；
V 2ηr,是第i个探测单元到管道中心的距离，R是管道半径，η是在一个半径中探测单元的总数。上述所说的感应元件在绝缘层上方，用以测量通道中流体的流速。上述所说的流体流速的量程范围为100微米/秒-100米/秒之间。一种上述基于MEMS技术的流量计芯片的测量部件的制作方法，其特征在于它包括以下步骤(1)用MEMS仿真设计出通道槽和测量单元的图形，并制成玻璃为基板的镍Ni金属掩模板；(2)用光刻机将通道的图形转移到旋涂有光刻胶的硅片上；胶厚为0. 5-1. 5微米， 将悬涂好光刻胶的硅片放置在真空干燥箱中前烘10分钟，温度为90°C ；极紫外线光进行光亥IJ，曝光时间根据胶厚不同为4-12s，然后，在浓度为0. 6%的NaOH溶液中显影20_60s，将显影好的硅片进行后烘15分钟，温度为120°C ；将显影后干燥过的硅片，置于反应离子刻蚀机中，氧气流量为50sccm，气压为40mbar，forword power为50w，轰击2分钟，去除图形底部残胶，深度为10-20微米；(3)然后，使用LPCVD技术在硅片上沉积一层二氧化硅，厚度与通道槽的深度相同；(4)使用丙酮超声清洗5-10分钟，洗去非通道部分的光刻胶以及沉积在上面的二氧化硅；
(5)同样使用LPCVD技术，沉积一层特殊材料制成的绝缘层薄膜，厚度不超过500 纳米；(6)使用步骤(1)中制好的掩模板，用光刻和RIE工艺在通道槽上方的绝缘层上制作nXn个测量装置的结构，其中每个测量装置的尺寸为300微米左右；(7)用酸液腐蚀掉步骤(3)沉积在通道中的二氧化硅，镂空通道槽；所说的酸液为 HF HCl = 1 1 ；(8)将制作好的结构作为一个部件连接到已设计好电路的芯片中，封装；如此得到的流量计，根据使用软件仿真模拟的结果，流速的量程在100微米/秒-100米/秒数量级之间。 本发明的工作原理一个简单的热电偶就可以作为一个测量单元，那么通过使用多个测量单元，将得到的测量值汇总后处理，就可以得到较为准确的测量值；计算时，先用径向上的η个数值得到一个平均值，这里测量单元按A分布的作用是使测量信号线性化，从而数据处理电路可以简单化；再将纵向上这样的η个平均值再次平均，就可以得到一个较为准确的测量值；本发明的优越性1、某些不可预测的因素通过这样的平均计算被相互抵消掉了， 如小范围的涡流；2、即便其中的某些测量单元损坏，不能工作，整个系统依然可以正常工作，得出流速；3、本发明将通道制作进了结构的内部，避免了传统的热电感应装置暴露在流体中的结构，绝缘层的材料选择表面粘度低、导热性良好的材料，则既可以保证测量数值的准确性，又可以大幅度的减少流体中杂质对流量计的污染。


图1为经过光刻、图形转移得到的硅基示意图。图2为在硅基沉积了一层二氧化硅后的示意图。图3为将图2的非凹槽部分的二氧化硅洗去得到的示意图。图4为在图3的基础上，表面沉积得到一层绝缘薄膜后的示意图。图5为以图4为基底，使用光刻、RIE图形转移后在绝缘薄膜上得到测量单元的阵列的示意图。图6为将凹槽部分沉积的二氧化硅用酸液腐蚀后得到最终结构示意图。其中，1为硅基，2为二氧化硅，3为测量单元构成的阵列，4为流体通道，5为绝缘层。
具体实施例方式实施例一种基于MEMS技术的流量计芯片的测量部件(见图6)，其特征在于它包括一个带有流体通道4的硅基1，硅基1及通道4上方有一层薄的、表面粘度低的、导热性良好的绝缘层5，绝缘层5上方是感应元件朝下的测量装置，绝缘层上方部分连接到电路中并封装。上述所说的感应元件朝下的测量装置按照测量阵列分布，测量单元构成的阵列3 中包含nXn个测量单元，阵列所在的平面沿流体管道的直径方向；每个半径向上的测量单元的位置与管道中心的距离有以下的关系
权利要求
1.一种基于MEMS技术的流量计芯片的测量部件，其特征在于它包括一个带有流体通道的硅基，硅基及通道上方有一层薄的、表面粘度低的、导热性良好的绝缘层，绝缘层上方是感应元件朝下的测量装置，绝缘层上方部分连接到电路中并封装。
2.根据权利要求1所说的一种基于MEMS技术的流量计芯片的测量部件，其特征在于所说的感应元件朝下的测量装置按照测量阵列分布，测量阵列中包含nXn个测量单元，阵列所在的平面沿流体管道的直径方向；每个半径向上的测量单元的位置与管道中心的距离有以下的关系η=] βΕ 其中 i = 1、2……n; V 2n是第i个探测单元到管道中心的距离，R是管道半径，η是在一个半径中探测单元的总数。
3.根据权利要求1所说的一种基于MEMS技术的流量计芯片的测量部件，其特征在于所说的感应元件在绝缘层上方，用以测量通道中流体的流速。
4.根据权利要求1所说的一种基于MEMS技术的流量计芯片的测量部件，其特征在于所说的流体流速的量程范围为100微米/秒-100米/秒之间。
5.一种基于MEMS技术的流量计芯片的测量部件的制作方法，其特征在于它包括以下步骤(1)用MEMS仿真设计出通道槽和测量单元的图形，并制成玻璃为基板的镍Ni金属掩模板；(2)用光刻机将通道的图形转移到旋涂有光刻胶的硅片上；胶厚为0.5-1. 5微米，将悬涂好光刻胶的硅片放置在真空干燥箱中前烘10分钟，温度为90°C ；极紫外线光进行光刻， 曝光时间根据胶厚不同为4-12s，然后，在浓度为0.6%的NaOH溶液中显影20_60s，将显影好的硅片进行后烘15分钟，温度为120°C ；将显影后干燥过的硅片，置于反应离子刻蚀机中，氧气流量为50sccm，气压为40mbar，forword power为50w，轰击2分钟，去除图形底部残胶，深度为10-20微米；(3)然后，使用LPCVD技术在硅片上沉积一层二氧化硅，厚度与通道槽的深度相同；(4)使用丙酮超声清洗5-10分钟，洗去非通道部分的光刻胶以及沉积在上面的二氧化娃；(5)同样使用LPCVD技术，沉积一层特殊材料制成的绝缘层薄膜，厚度不超过500纳米；(6)使用步骤(1)中制好的掩模板，用光刻和RIE工艺在通道槽上方的绝缘层上制作 nXn个测量装置的结构，其中每个测量装置的尺寸为300微米左右；(7)用酸液腐蚀掉步骤(3)沉积在通道中的二氧化硅，镂空通道槽；所说的酸液为 HF HCl = 1 1 ；(8)将制作好的结构作为一个部件连接到已设计好电路的芯片中，封装；如此得到的流量计，根据使用软件仿真模拟的结果，流速的量程在100微米/秒-100米/秒数量级之间。
全文摘要
一种基于MEMS技术的流量计芯片的测量部件，它包括一个带有流体通道的硅基，硅基及通道上方有一层薄的、表面粘度低的、导热性良好的绝缘层。制作方法制成玻璃为基板的镍Ni金属掩模板；用光刻机将通道的图形转移到旋涂有光刻胶的硅片上；使用LPCVD技术在硅片上沉积一层二氧化硅；洗去非通道部分的光刻胶以及沉积在上面的二氧化硅；沉积一层特殊材料制成的绝缘层薄膜；在通道槽上方的绝缘层上测量装置；腐蚀掉通道中的二氧化硅。本发明将通道制作进了结构的内部，避免了传统的热电感应装置暴露在流体中的结构，绝缘层的材料选择表面粘度低、导热性良好的材料，则既可以保证测量数值的准确性，又可以大幅度的减少流体中杂质对流量计的污染。
文档编号G01P5/10GK102175287SQ20101061588
公开日2011年9月7日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者吴元庆, 徐超, 牟诗城, 高玉翔, 高鹏 申请人:国家纳米技术与工程研究院