基于MEMS工藝的熱膜式流量傳感器芯片的研制

李艷杰，齊 虹

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，黑龍江哈爾濱150001)

0 引言

在汽車發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中，為了滿足燃料消耗和排放的要求，發(fā)動機(jī)燃料注射系統(tǒng)要求精確地計(jì)量吸入的空氣質(zhì)量，從而達(dá)到理想的空燃比，為此，采用進(jìn)氣流量傳感器測量進(jìn)氣流量。熱膜式流量傳感器具有響應(yīng)時間短、靈敏度高、測量范圍寬等特點(diǎn)，成為現(xiàn)代車用發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的流量傳感器的主流產(chǎn)品，得到了廣泛的應(yīng)用。

基于MEMS技術(shù)的熱膜式流量傳感器芯片的難點(diǎn)在于敏感薄膜的制備與電阻器的加工，本文研究解決了低應(yīng)力薄膜的制膜技術(shù)、Pt薄膜電阻與氧化層的熱匹配問題，實(shí)現(xiàn)了流量芯片的微型化和批量化。

1 熱膜式流量傳感器工作原理與芯片設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

熱膜式流量傳感器屬于量熱式傳感器，基于托馬斯(Thomas)流量計(jì)原理制作，即氣體的放熱量或吸熱量與該氣體的質(zhì)量流量呈正比的理論［1，2］，利用一個加熱體對流過流道的氣體進(jìn)行加熱，流道中流過加熱體的氣體會帶走加熱體的熱量，從而在加熱體周圍形成熱梯度場。通過測量加熱體上下游的溫度場變化來反映氣體的質(zhì)量流量。在上述的熱膜傳感器芯片設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了一只加熱電阻器作為加熱體，并在加熱電阻器的上下游對稱放置熱敏電阻器來檢測溫度場的變化［3］。當(dāng)氣流靜止時，加熱電阻器的加熱熱量通過基板導(dǎo)熱傳至熱敏電阻器，與空氣自然對流換熱，達(dá)到熱平衡，由于上下游的熱敏電阻器對稱分布，傳感器輸出為零;同時還可抵消環(huán)境溫度或氣流溫度變化對輸出的影響。當(dāng)氣流流動時，氣流與傳感電阻的換熱以強(qiáng)迫對流的形式為主，處于來流上游的熱敏電阻器，溫度下降幅度大于處于來流下游的熱敏電阻器，產(chǎn)生溫差，由此可導(dǎo)出輸出電壓與空氣質(zhì)量流量的關(guān)系式［4，5］

式中 U為傳感器的輸出電壓;Md為被測空氣的質(zhì)量流量;k1為一個與電橋電壓、熱膜電阻器結(jié)構(gòu)、測量通道有效截面積、電橋放大器放大倍數(shù)和空氣物性參數(shù)等有關(guān)的常數(shù);k2為常數(shù)。

由于敏感膜邊緣固支部分的厚度遠(yuǎn)大于薄膜部分，薄膜邊緣的溫度場邊界條件為零溫度梯度，圖1示出傳感器芯片敏感薄膜部分溫度場分布曲線。

圖1 傳感器溫度場分布曲線Fig 1 Temperature field distribution curve of sensor

1.2 芯片的設(shè)計(jì)依據(jù)

熱膜式流量傳感器有2種方案:一種是恒電流方案，氣流改變時散熱條件地改變使得加熱電阻器上的溫度相應(yīng)地改變，通過測量電阻變化測量流量;另一種是恒定溫差方案，氣流改變時加熱電流相應(yīng)地改變，使得散失的熱量也改變，保持加熱電阻器的加熱溫度高于環(huán)境溫度一個固定值，形成固定溫度差，該方案對傳感器的溫度漂移具有自補(bǔ)償作用。為此，本研究方案采用了恒溫差方案，圖2是該方案的電原理圖。

圖2 芯片匹配電路電原理圖Fig 2 Principle diagram of matching circuit of chip

敏感元件設(shè)計(jì)根據(jù)傳感器整體電路的參數(shù)要求來確定的，共設(shè)計(jì)有8只Pt膜電阻器。芯片電阻器的組成包括中心加熱區(qū)的加熱電阻器和在加熱區(qū)上游和下游的測溫電阻器，加熱電阻器的加熱溫度由加熱器控制電路來控制的(圖2(a))，由檢測加熱電阻R加熱加熱溫度的Ra與檢測環(huán)境溫度的Rb組成橋路電阻(電阻位置見圖3)，通過運(yùn)放電路放大信號后，反饋給加熱控制電路，保持其加熱電阻器的加熱溫度始終高于周圍環(huán)境溫度在160～190℃;加熱區(qū)上游和下游的測溫電阻器共同組成測試電橋(圖2(b))(電阻位置見圖3)。當(dāng)被測氣體從熱膜芯片流過時，在加熱區(qū)上游的熱量被氣體帶走使溫度降低，在加熱區(qū)下游的溫度則升高，加熱區(qū)上下游溫度的變化導(dǎo)致電阻電橋的失衡，從而輸出與氣體流量相對應(yīng)的差動信號，圖中Re與Ra設(shè)計(jì)在一起，同樣用于檢測加熱電阻R加熱的溫度，為測溫電路提供一定的溫度補(bǔ)償。

圖3 版圖電阻布局位置示意圖Fig 3 Layout diagram of resistors

2 關(guān)鍵技術(shù)與工藝過程

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用＜100＞晶向硅片作為襯底材料，采用表面沉積、光刻工藝制作敏感元件圖形，用各向異性腐蝕方法對硅襯底進(jìn)行加工，制作出熱膜結(jié)構(gòu)。

技術(shù)難點(diǎn)主要有:

1)微細(xì)敏感電阻條制作技術(shù):主要有反光刻工藝研究，包括:涂膠、曝光、顯影、剝離等參數(shù)的控制。

2)低應(yīng)力復(fù)合膜制造技術(shù):制作1μm以上的高強(qiáng)度、低應(yīng)力的復(fù)合薄膜，合理選擇薄膜淀積工藝，控制淀積順序與厚度。

3)薄膜熱敏電阻器穩(wěn)定性技術(shù):研究Pt薄膜淀積退火工藝，摸索溫度、氣流、氣氛、時間等參數(shù)控制對成膜性能的影響，選擇最佳工藝條件。

4)微結(jié)構(gòu)加工技術(shù):異性腐蝕工藝研究，探索腐蝕液的配比、腐蝕時間和溫度對腐蝕深度、膜底表面態(tài)的影響。

通過上述關(guān)鍵工藝的摸索，解決了Pt膜的厚度、質(zhì)量、襯底的粘附性，確定了Pt膜退火的合理的工藝參數(shù)，使形成的Pt膜電阻具有高溫度系數(shù)、穩(wěn)定性及一致性，選出合理的工藝方法和路線。流量芯片制作工藝流程圖和過程示意圖見圖4。

3 研制結(jié)果與測試數(shù)據(jù)

圖5為所研制的芯片實(shí)體照片，圖6為芯片的Pt電阻器的局部電子顯微鏡照片，圖7是芯片電阻器阻值典型溫度特性，可以看出Pt電阻條的邊緣齊直，表面光滑，厚度均勻，電阻條的阻值和其他參數(shù)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

用研制的芯片制作了汽車流量傳感器樣品，樣品在DN60型噴嘴流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行了性能測試，圖8是傳感器的流量測試曲線，準(zhǔn)確度達(dá)1%FS。

4 結(jié)論

在硅熱膜式氣體流量傳感器用流量芯片研制中，研究了芯片設(shè)計(jì)與加工工藝，解決了低應(yīng)力膜片制備、Pt薄膜電阻器的精密加工、恒定溫差流量檢測等技術(shù)難題。用研制的流量芯片制作的流量傳感器的技術(shù)指標(biāo)為:氣體流量范圍為0～1000 kg/h;工作溫度范圍為－40～120℃;準(zhǔn)確度為1%FS。產(chǎn)品在實(shí)際使用中效果良好，已開始推廣應(yīng)用。

圖4 芯片工藝過程示意圖Fig 4 Technique process of chip

圖5 芯片實(shí)體照片F(xiàn)ig 5 Photo of chip

圖6 芯片Pt電阻器的電子顯微鏡圖片F(xiàn)ig 6 Electronic microscope picture of Pt resistors on chip

圖7 Pt電阻器溫度特性曲線Fig 7 Temperature characteristic curve of Pt resistors

圖8 傳感器的流量測試曲線Fig 8 Flow test curve of sensor

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