基于MEMS工艺的热膜式流量传感器芯片的研制.pdf

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1、82传感器与微系统(TransducerandMicrosYstemTechn。logies)2012年第31卷第5期{i＼设计与制造《。s、基于MEMS工艺的热膜式流量传感器芯片的研制李艳杰，齐虹(中国电子科技集团公司第四十九研究所。黑龙江哈尔滨150001)摘要：基于托马斯(Thomas)流量计原理，研制了热膜式流量传感器芯片。该敏感元件采用MEMS工艺，制作出了3I．Lm厚度的带固支边的敏感膜结构，在膜上设计有一只加热电阻器和一组微型热敏电阻器。通过工艺研究，解决了膜上Pt电阻与基底的热匹配问题，并将该芯片应用于汽车进气流量传感器研制中。测试结果表明

2、：使用该芯片流量传感器的测量准确度为1％FS，满足发动机系统使用要求。关键词：芯片；热膜；流量传感器；微机电系统中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1000-9787(2012)05-0082-03Researchandfabricationofhot-filnmH——owsensorchipbasedonMEMSLIYan-jie，QIHong(No．49thResearchInstitute0fChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation．Harbin150001，China)Abstract：Hot—

3、filmflowsensorchipbasedonThomasflowmetertheoryiSresearchedandfabricated．ThissensitivedeviceusesMEMStechnologyandsensitivemembranestructurewith3LLmthicknessfixedsuppo~edgeisfabricated，aheatingresistorandasetofmicrotemperaturesensitiveresistoraredesignedonthefilm．Byaseriesoftechniqu

4、eresearches，keyproblemsoftechniqueareresolved．TemperaturematchingofPtresistorandsubstrateareverywell，thischipisusedinresearchofautomotiveintakeflowsensor．Testresultshowsthatthemeasurementaccuracyofthischipflowsensoris1％FS．whichwillcorrespondwithen~nesystemstandarddemand．Keywords：c

5、hip；hot—film；flowsensor；MEMS0引言气体的质量流量呈正比的理论，利用一个加热体对流在汽车发动机系统中，为了满足燃料消耗和排放的要过流道的气体进行加热，流道中流过加热体的气体会带走求，发动机燃料注射系统要求精确地计量吸人的空气质量，加热体的热量，从而在加热体周围形成热梯度场。通过测从而达到理想的空燃比，为此，采用进气流量传感器测量进量加热体上下游的温度场变化来反映气体的质量流量。在气流量。热膜式流量传感器具有响应时间短、灵敏度高、测上述的热膜传感器芯片设计中，设计了一只加热电阻器作量范围宽等特点，成为现代车用发动机系统的流量传感器为

6、加热体，并在加热电阻器的上下游对称放置热敏电阻器的主流产品，得到了广泛的应用。来检测温度场的变化J。当气流静止时，加热电阻器的加基于MEMS技术的热膜式流量传感器芯片的难点在热热量通过基板导热传至热敏电阻器，与空气自然对流换于敏感薄膜的制备与电阻器的加工，本文研究解决了低应热，达到热平衡，由于上下游的热敏电阻器对称分布，传感力薄膜的制膜技术、Pt薄膜电阻与氧化层的热匹配问题，器输出为零；同时还可抵消环境温度或气流温度变化对输实现了流量芯片的微型化和批量化。出的影响。当气流流动时，气流与传感电阻的换热以强迫1热膜式流量传感器工作原理与芯片设计对流的形式为主，

7、处于来流上游的热敏电阻器，温度下降1．1工作原理幅度大于处于来流下游的热敏电阻器，产生温差，由此可热膜式流量传感器属于量热式传感器，基于托马斯导出输出电压与空气质量流量的关系式l(Thomas)流量计原理制作，即气体的放热量或吸热量与该U=+后2，收稿日期：2012-03-26第5期李艳杰，等：基于MEMS工艺的热膜式流量传感器芯片的研制83式中U为传感器的输出电压；M为被测空气的质量流在一起，同样用于检测加热电阻加热的温度，为测温电量；k为一个与电桥电压、热膜电阻器结构、测量通道有效路提供一定的温度补偿。截面积、电桥放大器放大倍数和空气物性参数等有关的常

8、数；为常数。由于敏感膜边缘固支部分的厚度远大于薄膜部分，薄膜边缘的