Технология изготовления сенсора потока газа

Поток газа над поверхностью нагретого элемента производит конвективного потери тепла со скоростью, пропорциональной массовому расходу. Датчиками расхода, работающие на этом принципе принадлежат к общей категории устройств, известных как Термоанемометры, которые измеряют температуру горячей элемента и вывести расход. Ряд демонстраций существуют в открытой литературе; Наиболее разделяют основную структуру, состоящую из тонкопленочного нагревательного элемента и температуры устройства измерения на тонком (<1 мкм) изолирующих диэлектрических мембраны подвешены над протравленной полости, по меньшей мере, 50 мкм по глубине. Эта архитектура обеспечивает отличную теплоизоляцию между нагревателем и опорной рамы механической, которая гарантирует, что потери тепла почти все из-за массового потока через нагревательный элемент. Тепловая изоляция превышения 15ºC за милливатт мощности подогревателя является типичным. Кроме того, небольшая теплоемкость в связи с крошечной с подогревом объема обеспечивает быстрый тепловую постоянную времени и, следовательно, быстрое время отклика. Один из подходов к выведение температуру нагревательного элемента, чтобы вести это с постоянным током и измерить его сопротивление, а затем вычислить температуру с помощью TCR. Кроме того, прямое измерение температуры с помощью р-п диод или термопары адекватны.

Honeywell, Inc., Миннеаполис, штат Миннесота, производит серию AWM двунаправленных датчиков контроля массы с помощью двух соседних тонких мембран, по-видимому, сделанные из нитрида кремния, каждая из которых содержит нагревательный элемент и резистор temperaturesensitive [16]. Два мембраны являются небольшими по размеру, каждый размером менее 500 × 500 мкм 2. Расход газа через мембраны охлаждает вверх по течению нагреватель нагревает вниз по течению элемента. Два нагреватели являются частью первого моста Уитстона, а температура зондирования резисторы образуют две ноги во втором моста Уитстона, чьи дифференциальный выход прямо пропорционален скорости потока (рис 4.13). Направление потока отражается в полярности дифференциального моста выходной-характеристикой конфигурации двойной смысл элемента. В сущности, эта полярность определяет, какой из двух нагревателей выше или ниже. Лазерные отделкой толщина или тонкопленочные резисторы обеспечивают калибровку, а также обнуление любых смещений из-за сопротивления несоответствия мостов Уитстона. Серия Honeywell AWM устройств способен измерять скорость потока газа в диапазоне от 0 до 1000 кубических сантиметров в минуту. Верхняя граница обусловлена ​​выраженными нелинейных эффектов в механизме передачи тепла. Полномасштабная выход составляет примерно 75 мВ, а время отклика составляет менее 3 мс. Устройство потребляет менее 30 мВт.

Рисунок 4.13 Иллюстрация микромеханического датчика массового расхода. Газовый поток охлаждает вверх по течению нагреватель нагревает вниз по течению обогреватель. Чувствительные к температуре резисторы используются для измерения температуры каждого нагревателя и, следовательно, сделать вывод, расход. Протравленная яму под нагревателем обеспечивает исключительную теплоизоляцию на кремниевой рамке. (После:. Технических листов на серии AWM массового расхода воздуха, датчиков Honeywell, Inc., Миннеаполис, штат Миннесота, и [16])

В то время как обработка деталей серии Honeywell датчиков воздушного потока не обнародованы, легко спроектировать процесс изготовления демонстрации устройства типа. Примерный процесс начнется с осаждением тонкого слоя нитрида кремния, приблизительно 0,5 мкм в толщину, по {100} кремниевой пластины. Нитрид кремния обычно отличный выбор для изготовления тонких мембран, поскольку он может быть осажден при низкой растягивающего напряжения, и он сохраняет свою структурную целостность в большинстве анизотропных растворов травления. Тонкопленочного нагреватели и чувство элементы осаждаются в следующем напылением тонкого металлического слоя (например, платина или никель) или путем химического осаждения из паровой сильно легированного слоя поликристаллического кремния. Тонкий металлической пленки или поликристаллического кремния затем рисунком с использованием стандартного литографии с последующим соответствующим шагом травления. Изолирующий слой пассивации, предпочтительно из нитрида кремния, заключает и защищает нагревательные элементы и чувств. Оба слоя нитрида кремния, то следует литографии с рисунком в виде двух взвешенных мембран и, следовательно, подвергать травлению кремниевые участки за пределами мембраны контура. Заключительный шаг включает травление кремния в гидроксид калия или аналогичного анизотропное травление раствором с образованием глубокого полость. Травление Первая исходит в открытых областей кремния, а затем она прогрессирует под нитрида кремния тонкой пленки, удаляя все кремний и в результате взвешенных нитрида кремния мембран. Причина, по которой протекает травления под слоя нитрида кремния, потому что его ориентация в направлении <100>. Травления останавливается на {111} кристаллографических плоскостей вдоль периферии открытых площадках кремния.