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)動機系統(tǒng)中，為了滿足燃料消耗和排放的要求，發(fā)動機燃料注射系統(tǒng)要求精確地計量吸入的空氣質(zhì)量，從而達到理想的空燃比，為此，采用進氣流量傳感器測量進氣流量。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，成為現(xiàn)代車用發(fā)動機系統(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

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)計中，設(shè)計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。當氣流流動時，氣流與傳感電阻的換熱以強迫對流的形式為主，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)計根據(jù)傳感器整體電路的參數(shù)要求來確定的，共設(shè)計有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行加工，制作出熱膜結(jié)構(gòu)。

技術(shù)難點主要有:

1)微細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)均達到了設(shè)計要求。

用研制的芯片制作了汽車流量傳感器樣品，樣品在DN60型噴嘴流量標準裝置上進行了性能測試，圖8是傳感器的流量測試曲線，準確度達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)指標為:氣體流量范圍為0～1000 kg/h;工作溫度范圍為－40～120℃;準確度為1%FS。產(chǎn)品在實際使用中效果良好，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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