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传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies）
2016年第35卷第6期
DOI:10. 13873/J.10009787( 2016 )06007203
热隔离式MEMS气体质量流量传感器设计
谷永先，曾鸿江，邬林，胡娜娜，钱江蓉
（中国电子科技集团公司第三十八研究所微电子封装研究中心，安徽合肥230000）
摘要：研制了一种热隔离式微机电系统(MEMS)气体质量流量传感器。加热电阻器和上下游测温电阻器采用热隔离悬梁式结构，间隔240μm。对恒温差电路的设计要点进行了分析并制作了系统电路。测试拟合了传感器输出电压随气体流量的关系曲线，并对传感器进行了标定。测试结果表明：在020L/min
的流量范围内，传感器响应速度快，灵度高，输出信号平滑，适合于工业及医疗等领域。关键词：微机电系统；热隔离；气体质量流量传感器；恒温差
中图分类号：TP212
文献标识码：A
文章编号：1000-9787(2016)06-0072-03
Designof thermalisolatedMEMSgasmassflowsensor
GU Yong-xian, ZENG Hong-jiang, WU Lin, HU Na-na, QIAN Jiang-rong( Microelectronics Packaging Research Center, The 38th Institute of China Electronics
Technology Group Corporation,Hefei 230000, China )
Abstract: A thermal isolated micro-electro-mechanical system( MEMS ) gas mass flow sensor is developed. The thermal isolated cantilever structure is adopted for heating resistor,upstream and downstream resistors with 240 μm interval. The design key point of constant temperature difference circuit is analyzed, and system circuit is made. The curve of relationship between sensor output voltage and gas flow is measured, and accordingly sensor is calibrated. Test result shows that at flow range of 0 ~ 20 L/min, the sensor has fast response speed, high sensibility , smooth output signal,so the sensor is suitable for industrial and medical fields.
Key words: MEMS; thermal isolated; gas mass flow sensor; constant temperature difference
0引言
根据托马斯（Thomas)的理论1)"气体放出的热量或吸收的热量与该气体的质量流量成正比”，热式质量流量计区别于其他的气体流量传感器，能够直接测量气体的质量流量，而无需进行温度和压力补偿。对于需要测量质量流量的场合，降低了系统的成本和复杂度，且提高系统的可靠性。早期的热式质量流量传感器由两根铂丝电阻器构成，存在体积大、成本高、功耗高等缺点。随着微机电系统（MEMS)技术的发展，相比而言，MEMS质量流量传感器具有灵敏度高、响应快、体积小、功耗低、成本小和易批量加工等优点。
目前商业MEMS质量流量传感芯片以热膜式结构为主[2】，加热电阻器和上下游测温电阻器处于同一个悬空薄膜上，加热电阻器产生的热量既可以通过气体传导到上下游测温电阻器，也可以通过薄膜传导。
本文介绍一种热隔离式的MEMS质量流量传感器，上下游测温电阻器与中间加热电阻器之间完全热隔离，加热收稿日期：2016-02-03
电阻器产生的热量只能通过气体传导到上下游测温电阻
器，进一步提高传感器的灵度和响应时间3.4]。传感器结构设计
传感器芯片结构如图1所示，芯片尺寸为2.5mm× 4.7mmx0.4mm，包含4只铂电阻器，分别是环境电阻器 Rr、上游测温电阻器Ru、加热电阻器Rh以及下游测温电阻器Rd，其阻值分别为1.326kQ和246.9,107.9,248.6Ω。电阻器的表面由氧化硅和氮化硅层覆盖，避免铂金属直接与气体接触。环境电阻器处在衬底上，用于检测待测气体的温度，可以对加热电阻器进行温度补偿，其余3只电阻器的下方通过湿法腐蚀拘空，形成悬空的染式结构。3只电阻器相互隔离，间隔为240μm，这种完全热隔离式的设计可以避免薄膜热传导引起的热量损失、提高加热电阻器的加热效率、提高气体流量的检测灵度和响应速率。
利用环境电阻器和加热电阻器构成的恒温差电路，可以制成风速计式气体流量传感器，气体流量越大，加热电阻器的热损失越大，通过测量恒温差电路的驱动电压可以确