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机械工程学报 2023年第2期59卷 30-38页

作者：黄涛王家畴李昕欣中国科学院上海微系统与信息技术研究所上海200050 中国科学院大学北京100049

流量测控在生物医疗、农业监测、汽车电子等方面具有举足轻重的作用。针对现有热堆式气体流量传感器普遍存在着器件尺寸大、灵敏度低、成本高等不足,基于(111)硅片的单面微机械加工工艺设计了一款p^(+)Si/Au热电堆式气体流量传感器。采... 详细信息

流量测控在生物医疗、农业监测、汽车电子等方面具有举足轻重的作用。针对现有热堆式气体流量传感器普遍存在着器件尺寸大、灵敏度低、成本高等不足,基于(111)硅片的单面微机械加工工艺设计了一款p^(+)Si/Au热电堆式气体流量传感器。采用高塞贝克系数的p^(+)Si/Au材料制作热电偶,结合“鱼骨状”隔热薄膜和嵌入式隔热腔体结构,最大程度增大了器件的热阻,降低了热损耗,提升了器件的灵敏度。同时,热电偶冷端与单晶硅衬底之间采用高导热的复合金属相连,不仅增大了热电偶冷热端之间的温度差,而且简化了工艺的复杂度。得益于单面微机械加工工艺,传感器尺寸仅有0.65 mm×0.65 mm。在此基础上,基于气体流道封装以及信号处理电路,设计了集传感器芯片,气流流道以及处理电路于一体的气体流量检测模块。测试结果表明,在320倍电压放大及1.0 V的电压偏置下,该器件的归一化灵敏度约为5.4 mV/sccm/mW,响应时间为1.44 ms。

关键词：热堆式气体流量传感器单面硅微机械加工 p^(+)Si/Au热电堆气流流道

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(111)硅片的高性能热堆式气体流量传感器及其封装技术研究

(111)硅片的高性能热堆式气体流量传感器及其封装技术研究

引用

作者：黄涛中国科学院大学

学位级别：硕士

流量测控在工业控制、生物医疗、农业监测、汽车电子等领域具有举足轻重的地位，其中流量传感器作为流量测控的最直接测量手段发挥着不可替代作用。近年来随着MEMS技术的不断进步，高性能、低功耗、小尺寸和低成本的流量传感器已经成为... 详细信息

流量测控在工业控制、生物医疗、农业监测、汽车电子等领域具有举足轻重的地位，其中流量传感器作为流量测控的最直接测量手段发挥着不可替代作用。近年来随着MEMS技术的不断进步，高性能、低功耗、小尺寸和低成本的流量传感器已经成为研究热点和未来发展趋势。　　为此，本论文提出了一款高性能、小尺寸、低功耗的p+Si/n+Si热堆式气体流量传感器。首先，该器件以p型单晶硅和n型单晶硅作为热偶臂的材料，利用单晶硅材料极高的塞贝克系数，使器件的灵敏度得到了显著的提高。其次，采用高热导的复合金属Cr/Pt/Au将热偶臂的冷端与体硅直接相连，既能快速地将热偶臂冷端的热量传递给体硅衬底，增加热电偶冷热端之间的温度差，提高器件的灵敏度，又能使制造工艺的复杂度大大降低，节省制造成本。第三，综合考虑(111)硅片的特殊晶向排布和传感器结构，将热偶臂和加热电阻分别沿＜110＞晶向和＜211＞晶向排布，使得加热电阻与热偶臂热端之间的间距可以灵活调整，进而可以通过增大该间距来提升器件的灵敏度，又可通过减小该间距来换取更大的工作量程。最后，采用“鱼骨状”隔热薄膜设计结合嵌入衬底内部的隔热腔体结构，最大程度增大了热阻，减少了热耗散，在进一步增大灵敏度的同时缩小了器件尺寸。本文所做的工作内容如下:　　1.给出了p+Si/n+Si热堆式气体流量传感器的结构设计方案，利用仿真软件分析了相关结构尺寸参数对输出电压的影响，指导传感器结构优化设计。在此基础上，开展传感器制备工艺研究，结合实际工艺线条件，确定了p+Si/n+Si热堆式气体流量传感器的工艺流程，制造出芯片尺寸仅为0.65mm×0.60mm流量传感器，并对制备后的器件结构进行了表征。　　2.本文设计了基于热堆式气体流量传感器的气体流道封装，并通过仿真软件分析了流道内部的流场分布情况，确定了在0～200sccm的工作量程内流道的气流状态为层流状态，且器件表面的流速能达到0～5m/s。此外，还设计了相关的信号处理电路，与气体流道及传感器器件联合装配组成完整的气体流量检测模块。　　3.将气体流量检测模块接入测试系统中，对器件性能表征，包括单晶硅电阻温度系数、恒温差电路的补偿效果、传感器的灵敏度、响应时间、滞后误差、重复误差以及噪声信号的测试与分析。测试结果表明，在输出信号放大320倍，加热功率为4mW的情况下，器件的归一化灵敏约为5mV/sccm/mW，相比于以往的工作结果，灵敏度提升了数倍，且响应时间仅有1.44ms。

关键词：热堆式气体流量传感器优化设计塞贝克效应气体流道封装技术

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