專利名稱：一種基于mems技術(shù)的流量計芯片的測量部件及其制作方法
一種基于MEMS技術(shù)的流量計芯片的測量部件及其制作方
法
(-)技術(shù)領(lǐng) 域本發(fā)明屬于MEMS系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是一種基于MEMS技術(shù)的流量計芯片的測量部件，當(dāng)流體流過熱電偶結(jié)構(gòu)時會改變熱電偶的熱場，產(chǎn)生溫度差，由此可以測量流體的流速。
背景技術(shù)：
MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)是微機(jī)電系統(tǒng)的縮寫。MEMS 是美國的叫法，在日本被稱為微機(jī)械，在歐洲被稱為微系統(tǒng)，目前MEMS加工技術(shù)又被廣泛應(yīng)用于微流控芯片與合成生物學(xué)等領(lǐng)域，從而進(jìn)行生物化學(xué)等實驗室技術(shù)流程的芯片集成化。MEMS技術(shù)的發(fā)展開辟了一個全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，采用MEMS技術(shù)制作的微傳感器、微執(zhí)行器、微型構(gòu)件、微機(jī)械光學(xué)器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。MEMS技術(shù)正發(fā)展成為一個巨大的產(chǎn)業(yè)，就像近20年來微電子產(chǎn)業(yè)和計算機(jī)產(chǎn)業(yè)給人類帶來的巨大變化一樣，MEMS也正在孕育一場深刻的技術(shù)變革并對人類社會產(chǎn)生新一輪的影響。目前MEMS市場的主導(dǎo)產(chǎn)品為壓力傳感器、加速度計、微陀螺儀、墨水噴嘴和硬盤驅(qū)動頭等。大多數(shù)工業(yè)觀察家預(yù)測，未來5年MEMS器件的銷售額將呈迅速增長之勢，年平均增加率約為18%，因此對對機(jī)械電子工程、精密機(jī)械及儀器、半導(dǎo)體物理等學(xué)科的發(fā)展提供了極好的機(jī)遇和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。MEMS是一種全新的必須同時考慮多種物理場混合作用的研發(fā)領(lǐng)域，相對于傳統(tǒng)的機(jī)械，它們的尺寸更小，最大的不超過一個厘米，甚至僅僅為幾個微米，其厚度就更加微小。 采用以硅為主的材料，電氣性能優(yōu)良，硅材料的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度與鋁類似，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢。采用與集成電路(IC)類似的生成技術(shù)，可大量利用IC生產(chǎn)中的成熟技術(shù)、工藝，進(jìn)行大批量、低成本生產(chǎn)，使性價比相對于傳統(tǒng)“機(jī)械”制造技術(shù)大幅度提高。MEMS系統(tǒng)包括了微小的機(jī)械和電力部件。MEMS結(jié)構(gòu)的微感應(yīng)器可以用來感應(yīng)或測量壓力、流速、加速度、溫度、壓力以及其他物理量。一個微感應(yīng)器可以把環(huán)境量，比如流速、 壓強(qiáng)、溫度轉(zhuǎn)化成電信號。我們給這樣的感應(yīng)器的電信號制定一個標(biāo)準(zhǔn)，這樣感應(yīng)器所在的環(huán)境量就可以測量了。MEMS流量計的基本原理是很簡單的，一個帶有測量電路的熱電偶就可以用作一個簡單的流量計當(dāng)流體流過熱電偶時，會使熱點偶的熱場發(fā)生改變，熱電偶兩端的溫度感應(yīng)裝置就會產(chǎn)生溫度差，若已知流體的各項熱學(xué)參數(shù)，通過對溫度差的測量就可以得到與之對應(yīng)的流速?；贛EMS的流量計，可以用來測量流速，不論是在工業(yè)、商業(yè)還是醫(yī)療應(yīng)用方面， 都有很大的應(yīng)用需求。在許多醫(yī)療、工業(yè)方面的應(yīng)用實例中，從小尺度的便攜式的氣壓機(jī)到大尺度的植物的種植，都需要用到流量計。考慮到流量計實際應(yīng)用中的具體情況，目前普遍使用的MEMS流量計需要在以下幾個方面進(jìn)行改進(jìn)1、測量電路改進(jìn)測量電路，可以減少來自測量電信號的誤差；2、溫度感應(yīng)裝置的精度使用更合理的結(jié)構(gòu)，更合適的材料，從而減少溫度測量值和實際值之間的誤差；3、流體通道的結(jié)構(gòu)長時間的使用，會使流體中的各種碎片、雜質(zhì)、污染物等附著在流量計的結(jié)構(gòu)上，從而影響長期測量的穩(wěn)定性和使用壽命。改進(jìn)流體通道的結(jié)構(gòu)可以減少或者是清理這些附著物。 現(xiàn)在公認(rèn)的是，測量電路使用惠斯通電橋的結(jié)構(gòu)可以得到最優(yōu)的信號，所以迫切需要改進(jìn)的是感應(yīng)裝置的精度和通道結(jié)構(gòu)設(shè)計的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于設(shè)計一種基于MEMS技術(shù)的流量計芯片的測量部件，它能夠解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，具有較低的測量誤差、較高的壽命和長期測量的穩(wěn)定性。本發(fā)明的技術(shù)方案一種基于MEMS技術(shù)的流量計芯片的測量部件，其特征在于它包括一個帶有流體通道的硅基，硅基及通道上方有一層薄的、表面粘度低的、導(dǎo)熱性良好的絕緣層，絕緣層上方是感應(yīng)元件朝下的測量裝置，絕緣層上方部分連接到電路中并封裝。上述所說的感應(yīng)元件朝下的測量裝置按照測量陣列分布，測量陣列中包含nXn 個測量單元，陣列所在的平面沿流體管道的直徑方向；每個半徑向上的測量單元的位置與管道中心的距離有以下的關(guān)系=及 /^l其中 i = 1、2……η ；
V 2ηr,是第i個探測單元到管道中心的距離，R是管道半徑，η是在一個半徑中探測單元的總數(shù)。上述所說的感應(yīng)元件在絕緣層上方，用以測量通道中流體的流速。上述所說的流體流速的量程范圍為100微米/秒-100米/秒之間。一種上述基于MEMS技術(shù)的流量計芯片的測量部件的制作方法，其特征在于它包括以下步驟(1)用MEMS仿真設(shè)計出通道槽和測量單元的圖形，并制成玻璃為基板的鎳Ni金屬掩模板；(2)用光刻機(jī)將通道的圖形轉(zhuǎn)移到旋涂有光刻膠的硅片上；膠厚為0. 5-1. 5微米， 將懸涂好光刻膠的硅片放置在真空干燥箱中前烘10分鐘，溫度為90°C ；極紫外線光進(jìn)行光亥IJ，曝光時間根據(jù)膠厚不同為4-12s，然后，在濃度為0. 6%的NaOH溶液中顯影20_60s，將顯影好的硅片進(jìn)行后烘15分鐘，溫度為120°C ；將顯影后干燥過的硅片，置于反應(yīng)離子刻蝕機(jī)中，氧氣流量為50sccm，氣壓為40mbar，forword power為50w，轟擊2分鐘，去除圖形底部殘膠，深度為10-20微米；(3)然后，使用LPCVD技術(shù)在硅片上沉積一層二氧化硅，厚度與通道槽的深度相同；(4)使用丙酮超聲清洗5-10分鐘，洗去非通道部分的光刻膠以及沉積在上面的二氧化硅；
(5)同樣使用LPCVD技術(shù)，沉積一層特殊材料制成的絕緣層薄膜，厚度不超過500 納米；(6)使用步驟(1)中制好的掩模板，用光刻和RIE工藝在通道槽上方的絕緣層上制作nXn個測量裝置的結(jié)構(gòu)，其中每個測量裝置的尺寸為300微米左右；(7)用酸液腐蝕掉步驟(3)沉積在通道中的二氧化硅，鏤空通道槽；所說的酸液為 HF HCl = 1 1 ；(8)將制作好的結(jié)構(gòu)作為一個部件連接到已設(shè)計好電路的芯片中，封裝；如此得到的流量計，根據(jù)使用軟件仿真模擬的結(jié)果，流速的量程在100微米/秒-100米/秒數(shù)量級之間。 本發(fā)明的工作原理一個簡單的熱電偶就可以作為一個測量單元，那么通過使用多個測量單元，將得到的測量值匯總后處理，就可以得到較為準(zhǔn)確的測量值；計算時，先用徑向上的η個數(shù)值得到一個平均值，這里測量單元按A分布的作用是使測量信號線性化，從而數(shù)據(jù)處理電路可以簡單化；再將縱向上這樣的η個平均值再次平均，就可以得到一個較為準(zhǔn)確的測量值；本發(fā)明的優(yōu)越性1、某些不可預(yù)測的因素通過這樣的平均計算被相互抵消掉了， 如小范圍的渦流；2、即便其中的某些測量單元損壞，不能工作，整個系統(tǒng)依然可以正常工作，得出流速；3、本發(fā)明將通道制作進(jìn)了結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，避免了傳統(tǒng)的熱電感應(yīng)裝置暴露在流體中的結(jié)構(gòu)，絕緣層的材料選擇表面粘度低、導(dǎo)熱性良好的材料，則既可以保證測量數(shù)值的準(zhǔn)確性，又可以大幅度的減少流體中雜質(zhì)對流量計的污染。


圖1為經(jīng)過光刻、圖形轉(zhuǎn)移得到的硅基示意圖。圖2為在硅基沉積了一層二氧化硅后的示意圖。圖3為將圖2的非凹槽部分的二氧化硅洗去得到的示意圖。圖4為在圖3的基礎(chǔ)上，表面沉積得到一層絕緣薄膜后的示意圖。圖5為以圖4為基底，使用光刻、RIE圖形轉(zhuǎn)移后在絕緣薄膜上得到測量單元的陣列的示意圖。圖6為將凹槽部分沉積的二氧化硅用酸液腐蝕后得到最終結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1為硅基，2為二氧化硅，3為測量單元構(gòu)成的陣列，4為流體通道，5為絕緣層。
具體實施例方式實施例一種基于MEMS技術(shù)的流量計芯片的測量部件(見圖6)，其特征在于它包括一個帶有流體通道4的硅基1，硅基1及通道4上方有一層薄的、表面粘度低的、導(dǎo)熱性良好的絕緣層5，絕緣層5上方是感應(yīng)元件朝下的測量裝置，絕緣層上方部分連接到電路中并封裝。上述所說的感應(yīng)元件朝下的測量裝置按照測量陣列分布，測量單元構(gòu)成的陣列3 中包含nXn個測量單元，陣列所在的平面沿流體管道的直徑方向；每個半徑向上的測量單元的位置與管道中心的距離有以下的關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種基于MEMS技術(shù)的流量計芯片的測量部件，其特征在于它包括一個帶有流體通道的硅基，硅基及通道上方有一層薄的、表面粘度低的、導(dǎo)熱性良好的絕緣層，絕緣層上方是感應(yīng)元件朝下的測量裝置，絕緣層上方部分連接到電路中并封裝。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種基于MEMS技術(shù)的流量計芯片的測量部件，其特征在于所說的感應(yīng)元件朝下的測量裝置按照測量陣列分布，測量陣列中包含nXn個測量單元，陣列所在的平面沿流體管道的直徑方向；每個半徑向上的測量單元的位置與管道中心的距離有以下的關(guān)系η=] βΕ 其中 i = 1、2……n; V 2n是第i個探測單元到管道中心的距離，R是管道半徑，η是在一個半徑中探測單元的總數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種基于MEMS技術(shù)的流量計芯片的測量部件，其特征在于所說的感應(yīng)元件在絕緣層上方，用以測量通道中流體的流速。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種基于MEMS技術(shù)的流量計芯片的測量部件，其特征在于所說的流體流速的量程范圍為100微米/秒-100米/秒之間。
5.一種基于MEMS技術(shù)的流量計芯片的測量部件的制作方法，其特征在于它包括以下步驟(1)用MEMS仿真設(shè)計出通道槽和測量單元的圖形，并制成玻璃為基板的鎳Ni金屬掩模板；(2)用光刻機(jī)將通道的圖形轉(zhuǎn)移到旋涂有光刻膠的硅片上；膠厚為0.5-1. 5微米，將懸涂好光刻膠的硅片放置在真空干燥箱中前烘10分鐘，溫度為90°C ；極紫外線光進(jìn)行光刻， 曝光時間根據(jù)膠厚不同為4-12s，然后，在濃度為0.6%的NaOH溶液中顯影20_60s，將顯影好的硅片進(jìn)行后烘15分鐘，溫度為120°C ；將顯影后干燥過的硅片，置于反應(yīng)離子刻蝕機(jī)中，氧氣流量為50sccm，氣壓為40mbar，forword power為50w，轟擊2分鐘，去除圖形底部殘膠，深度為10-20微米；(3)然后，使用LPCVD技術(shù)在硅片上沉積一層二氧化硅，厚度與通道槽的深度相同；(4)使用丙酮超聲清洗5-10分鐘，洗去非通道部分的光刻膠以及沉積在上面的二氧化娃；(5)同樣使用LPCVD技術(shù)，沉積一層特殊材料制成的絕緣層薄膜，厚度不超過500納米；(6)使用步驟(1)中制好的掩模板，用光刻和RIE工藝在通道槽上方的絕緣層上制作 nXn個測量裝置的結(jié)構(gòu)，其中每個測量裝置的尺寸為300微米左右；(7)用酸液腐蝕掉步驟(3)沉積在通道中的二氧化硅，鏤空通道槽；所說的酸液為 HF HCl = 1 1 ；(8)將制作好的結(jié)構(gòu)作為一個部件連接到已設(shè)計好電路的芯片中，封裝；如此得到的流量計，根據(jù)使用軟件仿真模擬的結(jié)果，流速的量程在100微米/秒-100米/秒數(shù)量級之間。
全文摘要
一種基于MEMS技術(shù)的流量計芯片的測量部件，它包括一個帶有流體通道的硅基，硅基及通道上方有一層薄的、表面粘度低的、導(dǎo)熱性良好的絕緣層。制作方法制成玻璃為基板的鎳Ni金屬掩模板；用光刻機(jī)將通道的圖形轉(zhuǎn)移到旋涂有光刻膠的硅片上；使用LPCVD技術(shù)在硅片上沉積一層二氧化硅；洗去非通道部分的光刻膠以及沉積在上面的二氧化硅；沉積一層特殊材料制成的絕緣層薄膜；在通道槽上方的絕緣層上測量裝置；腐蝕掉通道中的二氧化硅。本發(fā)明將通道制作進(jìn)了結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，避免了傳統(tǒng)的熱電感應(yīng)裝置暴露在流體中的結(jié)構(gòu)，絕緣層的材料選擇表面粘度低、導(dǎo)熱性良好的材料，則既可以保證測量數(shù)值的準(zhǔn)確性，又可以大幅度的減少流體中雜質(zhì)對流量計的污染。
文檔編號G01P5/10GK102175287SQ20101061588
公開日2011年9月7日 申請日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者吳元慶, 徐超, 牟詩城, 高玉翔, 高鵬 申請人:國家納米技術(shù)與工程研究院