基于微型热电堆的正面微制造气体流量传感器，集成在非SOI（111）硅晶圆上的压力-温度检测功能

《IEEE Transactions on Electron Devices》：Front-Side Microfabricated Tiny-Size Thermopile-Based Gas Flow Sensor With Integrated Pressure–Temperature Sensing on a Non-SOI (111) Silicon Wafer

基于非SOI（111）硅的单面体微加工技术研制出多功能复合传感器，集成气体流量（灵敏度0.56 mV/sccm·W，响应3.8 ms）、压力（0.10 mV/kPa，非线性0.06%）和温度（TCR 0.0023/°C）传感器，实现0.9×0.9 mm3紧凑结构，无需双面工艺即可量产。

　　

摘要：

本文首次提出并开发了一种单片式气体质量流量、压力和温度多功能复合传感器，该传感器采用单面体微加工技术制造在非SOI（111）硅片上。与传统传感器不同，该气体流量传感器采用了单晶硅热电堆，其塞贝克系数更高，噪声更低，因此在更紧凑的尺寸下实现了更高的灵敏度。为了检测和补偿环境温度，一个铂薄膜温度传感器被放置在流量传感器旁边，并由恒定温差电路驱动。此外，在流量传感器的另一侧集成了一个带有嵌入式参考腔的绝对压力传感器。整个制造过程仅从前表面进行，无需进行双面对准曝光、腔体与SOI的键合以及双面抛光等步骤。这种简化工艺使得芯片尺寸极小，仅为0.9×0.9毫米，从而可以在标准集成电路制造厂中实现低成本、高产量的批量生产。实验结果表明，该流量传感器在200 sccm流量范围内的归一化灵敏度高达0.56 mV/sccm/W（无需任何放大电路），响应时间为3.8毫秒；700 kPa压力范围内的灵敏度为0.10 mV/kPa，非线性度为0.06% FS。温度传感器在?℃至℃的温度范围内表现出高度线性的响应特性，电阻温度系数（TCR）为0.0023/°C。