CN101408442A - 硅基薄膜结构空气质量流量传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于MEMS工艺的硅基薄膜结构空气质量流量传感器。在硅基底材料1上覆盖一层绝缘薄膜2，并在整个结构的中间部分刻蚀出一个隔热腔体5，采用MEMS工艺将加热电阻3和测温电阻4一次性在基底材料上实现。在布局上，将加热电阻3制作在驾于隔热腔体5的绝缘薄膜2上，而将测温电阻制作在硅基材料上面的绝缘薄膜上。利用本发明，能够提供测量精度高，功率损耗低，测量范围大且一致性好、成本低廉的恒温差式的热式空气质量流量传感器。

Description

硅基薄膜结构空气质量流量传感器

技术领域

本发明涉及一种适用于测量汽车发动机进气量的空气质量流量传感器，特别是，涉及一种由硅基薄膜结构敏感元件组成的空气质量流量传感器。

背景技术

一般地，作为测量汽车等的发动机进气量的空气质量流量传感器，通过测量加热电阻上游电阻和下游电阻的温度差来测量空气流量，或者通过控制加热电阻与流体的温度差恒定，测量加热电流的大小来测量空气流量。通过控制加热电阻与流体的温度差恒定的方式称为恒温差式。

恒温差式的热式空气质量流量传感器由一个加热电阻和一个测温电阻组成。恒温差控制实际上是通过一个以上述两个电阻作为要素的惠斯顿电桥来保持加热电阻与测温电阻的温差与加热电阻的比值不变。

然而，上述测量原理成立的前提是加热电阻和测温电阻具有完全相同的温度敏感系数，并且电桥上通过加热电阻的电流要足以使电阻温度升高一个指定值，而通过测温电阻的电流则应该控制在不使测温电阻产生热量的限度内。现有技术通常采用两个独立的热敏电阻分别作为加热电阻和测温电阻，由于工艺批次性问题，较难保证两者具有完全相同的温度敏感系数。而且，对于两个电阻不同的热散系数的要求，也是一个矛盾。此外，采用两个独立的热敏电阻也使得成本较为可观，且一致性难以保证。由于受热敏电阻封装形式的影响，采用两个独立热敏电阻的空气质量流量传感器还存在无法提高测量精度、不能降低功率损耗以及测量范围受限等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供能够提高测量精度，降低功率损耗，扩大测量范围且一致性好成本低廉的恒温差式的热式空气质量流量传感器。

本发明的特征在于在硅材料基底上，采用MEMS工艺一次性形成加热电阻和测温电阻，加热电阻位于硅基底上形成的绝缘薄膜区域。由于采用MEMS工艺一次形成加热电阻和测温电阻，可以很好地保证二者的温度敏感系数一致。同时，由于采用MEMS工艺以后，由两个电阻组成的空气质量流量传感器敏感结构总体尺寸可以做得很小，在同一个晶圆上可以一次加工几百个结构，可以保证不同传感器之间的一致性。

本发明在硅材料基底上形成驾于隔热腔体上的绝缘薄膜，而将加热电阻加工在绝缘薄膜上，使得施加在加热电阻上的能量可以有效转换成该电阻上的热量，而很少流失到基底材料上，从而有效提高了加热电阻的热散系数，使其在较小的功率作用下就能升高达到指定的温度点，提高了测量精度，减少了空气质量流量传感器的功率损耗，并扩大了测量范围。测温电阻直接加工在硅基底材料上的绝缘材料上，热散系数相对加热电阻大得多，避免了由于自身发热而影响测量精度。

附图说明

图1是本发明实施例涉及的空气质量流量传感器敏感元件的平面布局图。

图2是图1中A-A截面图。

图3是图1中B-B截面图。

图4是用于上述实施例的电路控制原理图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实施方式加以说明。

如图1、图2、图3所示，本发明实施例涉及的空气质量流量传感器采用了一种基于MEMS工艺的硅基薄膜敏感结构。所述敏感结构由基底材料1、绝缘薄膜2、加热电阻3、测温电阻4、隔热腔体5、测温电阻走线6、压焊焊盘7组成。基底材料1采用了单晶硅材料。其上覆盖一层绝缘薄膜2。在整个敏感结构的中间区域，通过刻蚀工艺形成隔热腔体5，使得该区域只剩下一层厚度仅几微米的绝缘薄膜2。然后通过沉积、光刻、腐蚀等工艺在绝缘薄膜2上形成加热电阻3。由于隔热腔体5的存在，绝缘薄膜2只能通过横向传导才能将热量传送到基底材料1上，由于绝缘薄膜2的厚度仅几微米，所以具有很大的热阻。因为上述原因，施加在加热电阻3上的能量绝大部分都用于提高加热电阻自身的温度，因此加热电阻3具有很小的热散系数，而且其温度受基底材料温度、电路温度、环境温度等的影响都很小，具有很好的稳定性。这使得采用本发明实施例涉及的空气质量流量传感器可以工作在相对比较小的工作电流下，从而达到了降低功率损耗的目的。同时，由于具有很小的热散系数，本发明实施例涉及的空气质量流量传感器敏感结构上的加热电阻很容易就可以达到相对较高的温度，从而对微小气流也具有很好的灵敏度，达到了提高测量精度的目的。

如图4所示，加热电阻3、测温电阻4、采样电阻8、调节电阻9共同组成惠斯顿电桥，运算放大器10和达林顿管11组成一个电流放大电路，用以提供大的加热电流。根据热扩散原理，加热电阻3被流体带走的热量与加热电阻3与流体的温差、流体的流速以及流体的性质有关。假设流体的质量流量为q_m，加热电阻3的阻值为R_h，加热电阻3与流体的温差为ΔT，通过加热电阻3上的加热电路为I，则通过推导可知，流体的质量流量q_m与

成函数关系，可表示成：

$q_m=f\left[\frac{I^2{R}_h}{\mathrm{\ΔT}}\right]$

从上式可以看出，只有保证

为常值，才可以通过测量加热电流I来测量流体的质量流量。采用如图4所示的电路控制回路，只有当加热电阻3和测温电阻4具有相同的温度敏感系数时才可以保证为常值。本发明实用例涉及的空气质量流量传感器的敏感结构在工艺实现过程中，加热电阻3和测温电阻4是通过MEMS工艺一次性完成的，可以很好地保证二者具有相同的温度敏感系数，因而具有比采用两个独立的热敏电阻要高的测量精度。

如图3所示，测温电阻4位于基底材料1上面的绝缘薄膜2上，由于硅材料是热的良导体，且硅材料与绝缘薄膜2紧密连接，因此，测温电阻4上的热量很容易通过基底材料1导走，使其在一定的电流作用下自身不会发热。这也保证了测量的准确性。而加热电阻3上的热量则由于隔热腔体5和绝缘薄膜2的存在而不容易传导到测温电阻4上，避免了两个电阻之间的干扰。

Claims (3)

1.一种硅基薄膜结构空气质量流量传感器，其特征在于设置有采用MEMS工艺在硅基底材料上实现的隔热腔体、绝缘薄膜、加热电阻、测温电阻在内的敏感元件，所述加热电阻位于驾在隔热腔体上的绝缘薄膜绝缘之上。

2.根据权利要求1所述的空气质量流量传感器，其特征在于所述测温电阻位于硅基底材料上的绝缘薄膜之上。

3.根据权利要求1所述的空气质量流量传感器，其特征在于所述加热电阻和测温电阻采用MEMS工艺在同一基底上一次性完成，保证二者具有相同的温度敏感系数。

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