气体流向检测装置及热式流量传感器的制作方法

1.本技术属于流量测量技术领域，具体涉及一种气体流向检测装置及热式流量传感器。


背景技术：

2.随着社会的发展，人们对传感器的要求越来越高，例如，要求传感器具有体积小、响应时间快、性能稳定等特点，而热分布式mems流量传感器可以满足上述需求。热式流量传感器主要有一路加热电阻与两路测温元件组成，通过保持加热电阻的恒定功率，根据不同流速下，上下游的测温元件反应的温度差来进行流量的测量。基于同样的原理，热式流量传感器还可以确定出气体流向，但是，为了避免因器件损坏或者加工偏差而导致检测结果不准确，通常需要先确定两个测温元件的温度变化情况，其中，温度升高的一侧为气体的上游，温度降低的一侧为气体的下游，确定方法较为复杂。


技术实现要素：

3.本技术实施例的目的是提供一种气体流向检测装置及热式流量传感器，可以简化现有热式流量传感器确定气体流向的步骤。
4.根据本技术实施例的第一方面，提供一种气体流向检测装置，包括：
5.下游热敏电阻，设于基底的表面；
6.加热电阻，设于所述基底的表面，用于通电发热，所述加热电阻与所述下游热敏电阻之间具有预设间距，以使所述下游热敏电阻位于第一目标气流下游时升温，所述第一目标气流由所述加热电阻流向所述下游热敏电阻。
7.可选地，所述气体流向检测装置还包括：
8.上游热敏电阻，设于所述基底的表面，所述上游热敏电阻与下游热敏电阻相对于所述加热电阻对称设置，并在位于第二目标气流下游时升温，所述第二目标气流与所述第一目标气流的方向相反。
9.可选地，所述基底的背面设有腔体，所述腔体位于所述基底对应所述加热电阻的位置。
10.可选地，所述基底包括衬底，所述衬底的表面设有支撑层，所述热敏电阻和所述加热电阻位于所述支撑层上，所述衬底的背面设有所述腔体并暴露所述支撑层。
11.可选地，所述支撑层由氧化硅层和氮化硅层堆叠形成。
12.可选地，所述气体流向检测装置还包括保护层，所述保护层设于所述加热电阻、所述热敏电阻和所述基底的表面，以至少用于保护元件。
13.可选地，所述保护层由氧化硅层和氮化硅层堆叠形成。
14.可选地，所述上游热敏电阻和所述下游热敏电阻还用于通电发热形成高温，以去除气体流向检测装置表面的水汽和气体残留。
15.可选地，所述上游热敏电阻和所述下游热敏电阻为蛇形结构。
16.根据本技术实施例的第二方面，提供一种热式流量传感器，包括前述任一项实施例所述的气体流向检测装置。
17.本技术的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
18.本技术实施例的气体流向检测装置，其下游热敏电阻与加热电阻保持一定的距离，并可以在下游热敏电阻升温时确定气体由加热电阻流向下游热敏电阻，无需确定其他热敏元件的温度变化，从而，可以简化现有热式流量传感器确定气体流向的步骤。
附图说明
19.图1是本技术一示例性实施例中一种气体流向检测装置的结构示意图；
20.图中，100、基底；110、衬底；120、支撑层；121、氧化硅层；122、氮化硅层；130、腔体；200、下游热敏电阻；300、加热电阻；400、上游热敏电阻。
具体实施方式
21.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本技术进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本技术的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本技术的概念。
22.在附图中示出了根据本技术实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
23.显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
24.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
25.此外，下面所描述的本技术不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
26.如图1所示，本技术实施例提供一种气体流向检测装置，包括：下游热敏电阻，设于基底的表面；加热电阻，设于基底的表面，用于通电发热，加热电阻与下游热敏电阻之间具有预设间距，以使下游热敏电阻位于第一目标气流下游时升温，第一目标气流由加热电阻流向下游热敏电阻。具体地，该气体流向检测装置，其下游热敏电阻与加热电阻保持足够远的距离，一方面可以在无气体流动或者气体不由加热电阻流向下游热敏电阻时保持温度不变，另一方面并可以在下游热敏电阻升温时确定气体由加热电阻流向下游热敏电阻，无需确定其他热敏元件的温度变化，从而，可以简化现有热式流量传感器确定气体流向的步骤。
27.在一些示例性实施例中，基底可以采用单抛或双抛的半导体衬底，半导体衬底包括但不限于硅衬底、锗衬底、soi衬底、geoi衬底。在本技术的实施例中，衬底采用双抛的单晶硅衬底。
28.在一些示例性实施例中，加热电阻为对温度敏感的热敏电阻材料，即其电阻与温度变化呈正相关的关系。优选地，加热电阻使用镍(ni)、铂(pt)、金(au)、铝(al)、铜(au)和多晶硅中的一种或者多种的组合。在本技术的实施例中，加热电阻采用n 型多晶硅。进一步地，为了适应极端温度产生的应力变化，加热电阻表面可以附着一层粘附层，优选地，粘附层使用钛(ti)、铬(cr)、镍(ni)、氧化钛(tio2)或者钛钨合金。
29.在一些示例性实施例中，为了实现气体的双向检测，气体流向检测装置还包括：上游热敏电阻，设于基底的表面，上游热敏电阻与下游热敏电阻相对于加热电阻对称设置，并在位于第二目标气流下游时升温，第二目标气流与第一目标气流的方向相反。具体地，该气体流向检测装置，可以在上游热敏电阻升温时确定气体由加热电阻流向上游热敏电阻，与下游热敏电阻具有相同的使用方法和效果。该气体流向检测装置在应用于热式流量传感器时，当下游热敏电阻和上游热敏电阻中的一个升温，不仅可以确定气体流向，还可以确定当前的环境温度，用于温度补偿。
30.在一些示例性实施例中，上游热敏电阻和下游热敏电阻的材料相同、阻值相等。
31.在一些示例性实施例中，上游热敏电阻和下游热敏电阻为对温度敏感的热敏电阻材料，即其电阻与温度变化呈正相关的关系。优选地，上游热敏电阻和下游热敏电阻使用镍(ni)、铂(pt)、金(au)、铝(al)、铜(au)和多晶硅中的一种或者多种的组合。在本技术的实施例中，上游热敏电阻和下游热敏电阻采用n 型多晶硅。进一步地，为了适应极端温度产生的应力变化，上游热敏电阻和下游热敏电阻表面可以附着一层粘附层，优选地，使用钛(ti)、铬(cr)、镍(ni)、氧化钛(tio2)或者钛钨合金。
32.在一些示例性实施例中，为了减少热损失，基底的背面设有腔体，腔体位于基底对应加热电阻的位置，该腔体用于减少加热电阻向基底传递的热量，使加热电阻发热时的温度场中心更靠近在基底的表面，从而可以减少热损失，有利于提高传感器的灵敏度与测量精度。为了进一步减少加热电阻向基底背面传递的热量，基底背面还可以设置腔体保护层，用于封闭基底背面的腔体，形成真空结构，同时，还可以使用导热系数极低的气体或者液体充满腔体。优选地，腔体保护层为硅(si)、石英玻璃(sio2)、聚酰亚胺(polyimide)或者陶瓷，腔体保护层的厚度为0.1～0.7mm。
33.在一些示例性实施例中，基底包括衬底，衬底的表面设有支撑层，下游热敏电阻和加热电阻位于支撑层上，衬底的背面设有腔体并暴露支撑层。在具体应用中，支撑层可以在腔体形成过程中作为刻蚀衬底的停止层，还可以作为加热电阻及热敏电阻的支撑层。
34.在一些示例性实施例中，支撑层由氧化硅层和氮化硅层堆叠形成，其中，氧化硅层具有较低的导热系数，可以阻止热量向衬底及其背面传递，同时，由于氧化硅和氮化硅的热应力是方向相反互补的，选用不同厚度的氧化硅与氮化硅可以制备低应力复合膜，使支撑层具有很好的支撑力。具体地，元件保护层用以保护加热电阻、上游热敏元件、下游热敏元件，并起到绝缘作用，元件保护层可以使用碳化硅(sic)、氮化硅(si3n4)、氧化铝(al2o3)、二氧化硅 (sio2)、聚对二甲苯(parylene)或者全氟树脂(cytop)等材料制备，元件保护层的厚度为0.01μm～100μm；芯片保护层用以保护整个传感器，并提高传感器的整体强度和机械性能，这也是提高传感器使用寿命的关键保护层，芯片保护层可以使用碳化硅(sic)、氧化铝(al2o3)、氮化硅(si3n4)、二氧化硅 (sio2)、聚对二甲苯(parylene)或者全氟树脂(cytop)等材料制备；芯片保护层的厚度为0.01μm～100μm。由于采用硬度、耐磨性等机械性能更高
的上述材料形成薄膜结构作为保护层，可以有效隔绝气体和液体以保护内部元件，将传感器整体强度提高50％，传感器寿命可达6年。
35.在一些示例性实施例中，气体流向检测装置还包括保护层(图中未画出)，保护层设于加热电阻、热敏电阻和基底的表面，以至少用于保护元件，从而提高传感器的使用寿命。进一步地，为了避免出现扰流，影响检测结果，保护层的表面平行于基底的表面。
36.在一些示例性实施例中，保护层由氧化硅层和氮化硅层堆叠形成，具有与支撑层相同的结构和技术效果。
37.在一些示例性实施例中，为了防止存在残留，影响检测精度，上游热敏电阻和下游热敏电阻还用于通电发热形成高温，以去除气体流向检测装置表面的水汽和气体残留。在具体应用中，需要气体及芯片表面保持干燥清洁，才能保证检测的准确度和灵敏度，但是在应用时环境中难免会有少量杂质气体或者水汽会进入管道，导致其吸附在芯片表面进而导致测量的准确性，为此，在检测结束后，通过选通开关等方式对上游热敏电阻和下游热敏电阻施加高电平，可以使补偿单元发热形成高温，去除热式流量传感器表面的水汽和气体残留。
38.在一些示例性实施例中，为了使芯片表面的热量分布均匀，上游热敏电阻和下游热敏电阻为蛇形结构。
39.本技术实施例还提供一种热式流量传感器，包括前述任一项实施例的气体流向检测装置，且能达到相同的技术效果，为避免重复，这里不再赘述。
40.上面结合附图对本技术的实施例进行了描述，但是本技术并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本技术的启示下，在不脱离本技术宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本技术的保护之内。