简述一多流量传感的微型电子机械系统

　　MEMS 是英文micro electro mechani-cal systems的缩写,即微电子机械系统,它是建立在微米/ 纳米技术(micro/nanotechnology)基础上的 21 世纪前沿技术,使之对微米/纳米材料进行设计、加工、制造和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统、数字处理系统集成为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不但能够采集、处理与发送信息或指令,还能够按照所获取的信息自主地或根据外部指令采取行动。它用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA 和晶片键合等技术)相结合的制造工艺,制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统,既有微电子的处理功能,又有微机械的传感与执行功能,是一全智能系统。

　　MEMS 特点主要有三点:1、微型化:MEMS 器件体积小,重量轻,耗能低,惯性小,谐振频率高,响应时间短。2、集成化:可以把不同功能,不同敏感方向和致动方向的多个传感器或执行器集成于一体,形成微传感器阵列或微执行器阵列,甚至可以把多种器件集成在一起以形成更为复杂的微系统,微传感器,微执行器和IC 集成在一起可以制造出高可靠性和高稳定性的。3、智能化:MEMS 的制造涉及电子,机械,材料,信息与自动控制,物理,化学和生物等多种学科, 同时 M E M S 也为上述学科的进一步研究和发展提供了有力的工具。

　　本文介绍的此 MEMS 是一种全集成质量流量传感器,具有气体流速、流向、气体种类、温度、压力等多种传感功能,并具有同片集成的 CMOS 接口电路及其它有关电路。制造这种芯片需 1 3 道掩模, 芯片总尺寸 3 . 5 m m*5mm,是迄今芯片最大、集成元器件最多的一种 M E M S 。

　　制造时,在芯片背面用微机械加工法制出平面介质窗口,再在此窗口上制出压力、速度、流向及气体种类传感器,这些传感器位于一公共的阱中并由经硼扩散的支撑梁而达到彼此热隔离。窗的尺寸为0.5mm*0.5mm*1.3 μ m。

　　在芯片正面围绕着窗缘刻出深扩散部区,使这些窗缘区不致随体硅的蚀除而被腐蚀,各传感器件的构造和工作要点如下:

　　(1)流速传感

　　制在 1.3 μ m 厚介质窗上的流速传感单元,用 20 μ m 厚的氧化多孔硅膜与其它传感单元达到热隔离。用多晶硅作加热器,当窗口加热并保持恒温时,气体掠过芯片表面,从而加速热流的对流,并增高了为保持窗温恒定所需的电功率, 这增高的功率就可用来指示流速。

　　(2)流向传感

　　流向传感单元中含有两对正交的由多晶硅与金组合的热电堆检测器,热电堆的输出电压约 0.3mV/℃ 。无气体流动时,跨窗口的温度分布是对称的;有流动时,气体掠过加热器将使上流的热电偶冷却而使下流的热电偶加热。上流与下流热电偶的温差是流向的标志,也代表输入气流的余弦分量;其左流与右流的热电偶输出则代表其正弦分量,据此可确定流向。