專(zhuān)利名稱(chēng)：硅基薄膜結(jié)構(gòu)空氣質(zhì)量流量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于測(cè)量汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量的空氣質(zhì)量流量傳感器，特 別是，涉及一種由硅基薄膜結(jié)構(gòu)敏感元件組成的空氣質(zhì)量流量傳感器。
背景技術(shù)：
一般地，作為測(cè)量汽車(chē)等的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量的空氣質(zhì)量流量傳感器，通過(guò)測(cè) 量加熱電阻上游電阻和下游電阻的溫度差來(lái)測(cè)量空氣流量，或者通過(guò)控制加熱 電阻與流體的溫度差恒定，測(cè)量加熱電流的大小來(lái)測(cè)量空氣流量。通過(guò)控制加 熱電阻與流體的溫度差恒定的方式稱(chēng)為恒溫差式。
恒溫差式的熱式空氣質(zhì)量流量傳感器由 一個(gè)加熱電阻和一個(gè)測(cè)溫電阻組 成。恒溫差控制實(shí)際上是通過(guò)一個(gè)以上述兩個(gè)電阻作為要素的惠斯頓電橋來(lái)保 持加熱電阻與測(cè)溫電阻的溫差與加熱電阻的比值不變。
然而，上述測(cè)量原理成立的前提是加熱電阻和測(cè)溫電阻具有完全相同的溫 度敏感系數(shù)，并且電橋上通過(guò)加熱電阻的電流要足以使電阻溫度升高一個(gè)指定 值，而通過(guò)測(cè)溫電阻的電流則應(yīng)該控制在不4吏測(cè)溫電阻產(chǎn)生熱量的限度內(nèi)。現(xiàn) 有技術(shù)通常采用兩個(gè)獨(dú)立的熱敏電阻分別作為加熱電阻和測(cè)溫電阻，由于工藝 批次性問(wèn)題，較難保證兩者具有完全相同的溫度敏感系數(shù)。而且，對(duì)于兩個(gè)電 阻不同的熱散系數(shù)的要求，也是一個(gè)矛盾。此外，采用兩個(gè)獨(dú)立的熱敏電阻也 使得成本較為可觀，且一致性難以保證。由于受熱敏電阻封裝形式的影響，采 用兩個(gè)獨(dú)立熱敏電阻的空氣質(zhì)量流量傳感器還存在無(wú)法提高測(cè)量精度、不能降 低功率損耗以及測(cè)量范圍受限等缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供能夠提高測(cè)量精度，降低功率損耗，擴(kuò)大測(cè)量范圍 且一致性好成本低廉的恒溫差式的熱式空氣質(zhì)量流量傳感器。
本發(fā)明的特征在于在硅材料基底上，采用MEMS工藝一次性形成加熱電阻和 測(cè)溫電阻，加熱電阻位于^圭基底上形成的絕緣薄膜區(qū)域。由于采用MEMS工藝一 次形成加熱電阻和測(cè)溫電阻，可以4艮好地保i正二者的溫度敏感系數(shù)一致。同時(shí)， 由于采用MEMS工藝以后，由兩個(gè)電阻組成的空氣質(zhì)量流量傳感器敏感結(jié)構(gòu)總體 尺寸可以做得很小，在同一個(gè)晶圓上可以一次加工幾百個(gè)結(jié)構(gòu)，可以保證不同 傳感器之間的一致性。
本發(fā)明在硅材料基底上形成駕于隔熱腔體上的絕緣薄膜，而將加熱電阻加 工在絕緣薄膜上，4吏得施加在加熱電阻上的能量可以有效轉(zhuǎn)換成該電阻上的熱 量，而很少流失到基底材料上，從而有效提高了加熱電阻的熱散系數(shù)，使其在 較小的功率作用下就能升高達(dá)到指定的溫度點(diǎn)，提高了測(cè)量精度，減少了空氣 質(zhì)量流量傳感器的功率損耗，并擴(kuò)大了測(cè)量范圍。測(cè)溫電阻直接加工在硅基底 材料上的絕緣材料上，熱散系數(shù)相對(duì)加熱電阻大得多，避免了由于自身發(fā)熱而 影響測(cè)量精度。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例涉及的空氣質(zhì)量流量傳感器敏感元件的平面布局圖。 圖2是圖1中A-A截面圖。 圖3是圖1中B-B截面圖。 圖4是用于上述實(shí)施例的電路控制原理圖。
具體實(shí)施方式
下面參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式加以i兌明。
如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明實(shí)施例涉及的空氣質(zhì)量流量傳感器采用了 一種基于MEMS工藝的硅基薄膜敏感結(jié)構(gòu)。所述敏感結(jié)構(gòu)由基底材料1、絕緣薄 膜2、加熱電阻3、測(cè)溫電阻4、隔熱腔體5、測(cè)溫電阻走線6、壓焊焊盤(pán)7組成。 基底材料l采用了單晶硅材料。其上覆蓋一層絕緣薄膜2。在整個(gè)敏感結(jié)構(gòu)的中 間區(qū)域，通過(guò)刻蝕工藝形成隔熱腔體5，使得該區(qū)域只剩下一層厚度僅幾^t米的 絕緣薄膜2。然后通過(guò)沉積、光刻、腐蝕等工藝在絕緣薄膜2上形成加熱電阻3。 由于隔熱腔體5的存在，絕緣薄膜2只能通過(guò)4黃向傳導(dǎo)才能將熱量傳送到基底 材料1上，由于絕緣薄膜2的厚度僅幾微米，所以具有纟艮大的熱阻。因?yàn)樯鲜?原因，施加在加熱電阻3上的能量絕大部分都用于提高加熱電阻自身的溫度， 因此加熱電阻3具有很小的熱散系數(shù)，而且其溫度受基底材料溫度、電路溫度、 環(huán)境溫度等的影響都很小，具有很好的穩(wěn)定性。這使得采用本發(fā)明實(shí)施例涉及 的空氣質(zhì)量流量傳感器可以工作在相對(duì)比較小的工作電流下，從而達(dá)到了降低 功率損耗的目的。同時(shí)，由于具有很小的熱散系數(shù)，本發(fā)明實(shí)施例涉及的空氣 質(zhì)量流量傳感器敏感結(jié)構(gòu)上的加熱電阻很容易就可以達(dá)到相對(duì)較高的溫度，從 而對(duì)微小氣流也具有很好的靈敏度，達(dá)到了提高測(cè)量精度的目的。
如圖4所示，加熱電阻3、測(cè)溫電阻4、采^"電阻8、調(diào)節(jié)電阻9共同組成 惠斯頓電橋，運(yùn)算放大器IO和達(dá)林頓管11組成一個(gè)電流放大電路，用以提供 大的加熱電流。根據(jù)熱擴(kuò)散原理，加熱電阻3被流體帶走的熱量與加熱電阻3 與流體的溫差、流體的流速以及流體的性質(zhì)有關(guān)。^設(shè)流體的質(zhì)量流量為^， 加熱電阻3的阻#_為& ,加熱電阻3與流體的溫差為dr ,通過(guò)加熱電阻3上的
加熱電路為/,則通過(guò)推導(dǎo)可知，流體的質(zhì)量流量^與^^成函數(shù)關(guān)系，可表示成
從上式可以看出，只有保證l為常值，才可以通過(guò)測(cè)量加熱電流/來(lái)測(cè)量
流體的質(zhì)量流量。采用如圖4所示的電路控制回路，只有當(dāng)加熱電阻3和測(cè)溫 電阻4具有相同的溫度敏感系數(shù)時(shí)才可以保證^為常值。本發(fā)明實(shí)用例涉及的
空氣質(zhì)量流量傳感器的壽丈感結(jié)構(gòu)在工藝實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，加熱電阻3和測(cè)溫電阻4 是通過(guò)MEMS工藝一次性完成的，可以很好地保證二者具有相同的溫度敏感系數(shù)， 因而具有比采用兩個(gè)獨(dú)立的熱敏電阻要高的測(cè)量精度。
如圖3所示，測(cè)溫電阻4位于基底材料1上面的絕緣薄膜2上，由于硅材 料是熱的良導(dǎo)體，且硅材料與絕緣薄膜2緊密連接，因此，測(cè)溫電阻4上的熱 量很容易通過(guò)基底材料1導(dǎo)走，使其在一定的電流作用下自身不會(huì)發(fā)熱。這也 保證了測(cè)量的準(zhǔn)確性。而加熱電阻3上的熱量則由于隔熱腔體5和絕緣薄膜2 的存在而不容易傳導(dǎo)到測(cè)溫電阻4上，避免了兩個(gè)電阻之間的干擾。
權(quán)利要求
1.一種硅基薄膜結(jié)構(gòu)空氣質(zhì)量流量傳感器，其特征在于設(shè)置有采用MEMS工藝在硅基底材料上實(shí)現(xiàn)的隔熱腔體、絕緣薄膜、加熱電阻、測(cè)溫電阻在內(nèi)的敏感元件，所述加熱電阻位于駕在隔熱腔體上的絕緣薄膜絕緣之上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣質(zhì)量流量傳感器，其特征在于所述測(cè)溫電阻位于 硅基底材料上的絕緣薄膜之上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣質(zhì)量流量傳感器，其特征在于所述加熱電阻和測(cè) 溫電阻采用MEMS工藝在同 一基底上一次性完成，保證二者具有相同的溫度敏 感系數(shù)。
全文摘要
一種基于MEMS工藝的硅基薄膜結(jié)構(gòu)空氣質(zhì)量流量傳感器。在硅基底材料1上覆蓋一層絕緣薄膜2，并在整個(gè)結(jié)構(gòu)的中間部分刻蝕出一個(gè)隔熱腔體5，采用MEMS工藝將加熱電阻3和測(cè)溫電阻4一次性在基底材料上實(shí)現(xiàn)。在布局上，將加熱電阻3制作在駕于隔熱腔體5的絕緣薄膜2上，而將測(cè)溫電阻制作在硅基材料上面的絕緣薄膜上。利用本發(fā)明，能夠提供測(cè)量精度高，功率損耗低，測(cè)量范圍大且一致性好、成本低廉的恒溫差式的熱式空氣質(zhì)量流量傳感器。
文檔編號(hào)G01F1/684GK101408442SQ20081021174
公開(kāi)日2009年4月15日 申請(qǐng)日期2008年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月24日
發(fā)明者劉福民, 張國(guó)昌, 徐宇新, 李瑞龍, 蔡豐勇, 邱飛燕 申請(qǐng)人:北京時(shí)代藍(lán)天光電技術(shù)有限公司;溫州百岸汽車(chē)零部件有限公司