CN102680035B - 具有改进的热稳定性的传感器 - Google Patents

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    • G01F1/692—Thin-film arrangements

Abstract

本发明涉及具有改进的热稳定性的传感器。公开了包括加热器电阻器(112)和/或一个或多个传感器电阻器(114)的改进的传感器。在一些情况下，该加热器电阻器(112)可以被配置为具有零或者接近零的电阻温度系数(TCR)，而一个或多个传感器电阻器(114)可以被配置为具有非零的更高的TCR。在一些情况下，加热器电阻器(112)可以包括掺杂有第一浓度的掺杂剂(306)的多晶硅材料，并且该一个或多个感测元件可以包括掺杂有第二更高浓度的掺杂剂(306)的多晶硅材料。在一些情况下，该第一浓度的掺杂剂(306)可以被配置为提供具有零或接近零的电阻温度系数(TCR)的加热器电阻器(112)。

Description

具有改进的热稳定性的传感器
技术领域
本公开大体涉及传感器，且更具体地，涉及包括加热器电阻器和/或一个或多个传感器电阻器的传感器。
背景技术
传感器被用于多种应用中。有些传感器包括加热器电阻器和/或一个或多个传感器电阻器。这样的传感器可能包括一些流量传感器、一些热传导传感器、一些化学传感器、和/或其它类型传感器。在一些环境下，这样的传感器可能变得热不稳定，这可能影响它们的准确度和/或可靠性。例如，当传感器包括具有正电阻温度系数(TCR)的加热器电阻器，并且由恒流电源驱动时，加热器电阻器的温度会升高，这随后可能导致该加热器电阻器的电阻进一步增大，这可使该加热器电阻器的温度进一步升高，等等。这种循环通常可导致该加热器电阻器和/或该传感器的损坏。
发明内容
本公开大体涉及传感器，且更具体地，涉及包括加热器电阻器和/或一个或多个传感器电阻器的传感器。在一示例性实施例中，传感器可以包括加热器电阻器、第一感测电阻器、和第二感测电阻器(由衬底支承)。在一些情况下，该加热器电阻器可以被配置为具有零或者接近零的电阻温度系数(TCR)，在一些情况下，这可有助于增强传感器的热稳定性和/或可靠性。在一些实施例中，该加热器电阻器可能包括掺杂有第一浓度掺杂剂的多晶硅材料以实现该零或接近零的电阻温度系数(TCR)。第一和/或第二感测电阻器可以被配置为比该加热器电阻器具有更高的电阻温度系数(TCR)。在一些情况下，具有第二更高浓度的掺杂剂和/或不同掺杂材料的多晶硅材料可被用于第一和第二感测电阻器以实现更高电阻温度系数，但这不被要求。其它的材料也可用于第一和第二感测电阻器。
提供前述的发明内容以帮助理解本公开的一些特征，并不意图作为完整描述。通过整体理解整个说明书、权利要求书、附图和摘要可以得到本公开的完整理解。
附图说明
结合附图参考本公开各种示例性实施例的以下详细描述可以更完整理解本公开，其中：
图1是示例性的流量感测管芯(flow sensing die)的示意性的顶视图；
图2是图1中示例性的流量感测管芯沿着线2-2取的示意性的剖视图；
图3是另一个示例性的流量传感器管芯的示意性的顶视图；
图4是图3中示例性的流量传感器管芯沿着线4-4取的示意性的剖视图；
图5A-B是示出制造图1所示的流量感测管芯的示例性方法的剖视图；以及
图6A-C是示出制造图1所示的流量感测管芯的另一个示例性方法的剖视图。
具体实施方式
以下描述应该参考附图进行阅读，其中在几个示图中相同的附图标记指示相同的元件。描述和附图示出了几个实施例，其意指对本公开的例示，而不是限制。
图1和图2是用于测量沿流向经过流体通道的流体的流体流量的流量感测管芯100的示例性实施例的示意性顶视图和剖视图，所述流体通道可以穿过空隙(void)110设置在流量感测管芯100的底部或者设置在流量感测管芯100的顶部。虽然流量传感器用作示例，设想的是，本公开可以用于任何合适的传感器(其包括例如加热器电阻器和/或一个或多个传感器电阻器)中。这样的传感器视需要可以包括，例如，一些流量传感器，一些热传导传感器，一些化学传感器，和/或其它类型的传感器。同样，取决于应用，这里所用的术语“流体”可以指气体或液体。在图1的示例性实施例中，流量感测管芯100可以暴露于和/或布置在流体通道内以测量流体流的一个或多个属性。例如，该流量感测管芯100可以是用于测量流体流的质量流量和/或速度的流量传感器。
在图1-2的示例性实施例中，流量感测管芯100包括具有一个或多个薄膜层104的衬底102。一个或多个薄膜层104可以由任何合适的材料、采用任何合适的制造工艺(多种工艺)例如薄膜沉积方法而制成。合适的薄膜材料可以包括硅，二氧化硅，氮化硅，氮氧化硅，和/或任何其它的合适的材料或者材料组合。在一些情况下，该(多个)薄膜层104可以形成膜106或者膜片，其被认为是衬底102的一部分或由衬底102支承。如图所示，膜边界108可以区分形成膜的薄膜层104的区域。流量感测管芯100可以具有形成在衬底102内的空隙110(参见图2)。空隙110可以任何合适的方式形成，诸如，例如，通过湿法刻蚀衬底102的背侧。在一些情况下，薄膜层(多个)104的最底层可以是刻蚀停止(etch-stop)层以有助于衬底102的湿法刻蚀，但这不被要求。例如，刻蚀停止层可以是单独层，诸如氧化层或可以有助于制造明确限定厚度的膜的其它层。在一些情况下，该流量感测管芯100可以开始作为绝缘体上硅结构(Silicon-On-Insulator，SOI)管芯，其中绝缘体层可以形成刻蚀停止层。
在该示例性实施例中，该一个或多个薄膜层104还可以限定一个或多个加热器元件，诸如加热器电阻器112，和一个或多个传感器元件，诸如传感器电阻器114和116。第一传感器电阻器114可以位于该加热器电阻器112相对于流体流120的方向的上游，而第二传感器电阻器116可以位于该加热器电阻器112相对于流体流120的方向的下游。然而，这并不意指限制性的并且设想的是，在一些实施例中，流体通道可以是双向流体通道以致于，在一些情况下，该第一传感器电阻器114位于该加热器电阻器112的下游而第二传感器电阻器116位于该加热器电阻器112的上游。在一些情况下，可以仅提供一个传感器元件，而在其它实施例中，可以提供三个或更多传感器元件，依应用而定。在一些情况下，如果需要，两个传感器电阻器114和116都可以位于该加热器电阻器112的上游(或下游)。
在一些情况下，该第一传感器电阻器114和该第二传感器电阻器116可以是具有较大的正或负的电阻温度系数的热敏电阻器，以致于电阻随着温度改变。在一些情况下，该第一和第二感测电阻器114和116可以是热敏电阻器。在一些情况下，该第一传感器电阻器114，该第二传感器电阻器116，和任何的额外的传感器电阻，可以布置成惠斯通电桥结构，但这不被要求。
在该示例性实施例中，流体可以被导向为沿着方向箭头120所示出的流向流经流量感测管芯100。在所示的示例中，当不存在流体流时并且加热器电阻器122被加热到比流体流中的流体的周围温度更高的温度时，或者换句话说，加热器电阻器112可以消耗电能为热，加热它附近的流体。这种情况下，温度分布可在流体中形成并且关于加热器电阻器112大体上呈对称分布地传到上游传感器电阻器114和下游传感器电阻器116。在该示例中，上游传感器电阻器114和下游传感器电阻器116可以感测相同或相似的温度(例如在25％、10％、5％、1％、0.001％之内，等等)。在一些情况下，这可在第一传感器电阻器114和第二传感器电阻器116中产生相同或相似的输出电压。
当流体流存在于该流体通道内，并且加热器电阻器112已启动并被加热到比流体流中的流体的周围温度高的温度时，对称的温度分布会被扰乱并且扰乱的量可以与流体通道内的流体流的流速有关。在该示例中，流体流的流速可使上游传感器电阻器114感测到比下游传感器电阻器116相对更低的温度。换句话说，流体流的流速可使上游传感器电阻器114和下游传感器电阻器116之间产生温度差，其与流体通道内的流体流的流速有关。在一些情况下，该上游传感器电阻器114和该下游传感器电阻器116之间的温度差会导致该上游传感器电阻器114和该下游传感器电阻器116之间的输出电压差。
在另一个示例性实施例中，流体流的质量流量和/或速度可以通过在加热器电阻器112中提供瞬态升温情形来确定，其又在流体流内引起瞬态升温情形(诸如，热脉冲)。当在流体流中存在非零的流速时，该上游传感器电阻器114比该下游传感器电阻器116晚接收到瞬态响应。随后，能够利用时间延迟来计算流体流的流速，该时间延迟在该上游传感器电阻器114和下游传感器电阻器116之间，或者在给加热器电阻器112通电的时间与相应的升温情形(诸如，热脉冲)被传感器中的一个(例如下游传感器电阻器116)感测到的时间之间。
在该示例性实施例中，流量感测管芯100的性能将取决于通过流体(而不是通过其它热传导路径)传送到感测电阻器114和116的热量。在所示的实施例中，膜106可以将加热器电阻器112和感测电阻器114和116与衬底基本上热隔离。如果没有这种热隔离，热量会从该流量传感器组件传导到衬底102/从衬底102传导到该流量传感器组件，这会降低该感测管芯100的灵敏度和/或性能。材料的选择可以提供额外的或者可选择的方式以热隔离感测电阻器114和116，其可用在具有或没有热隔离膜的流量传感器中。例如，可用于衬底102的低导热性材料可以包括，例如，熔凝硅石，熔凝石英，和/或硼硅玻璃。额外地或者可替换地，热隔离可以在具有低导热性薄膜(诸如氧化多孔硅、气凝胶、或者任何其它合适的材料)的衬底上获得。这些仅仅是一些示例。
在图1-2的示例性实施例中，加热器电阻器112可以被配置为具有零或接近零的电阻温度系数(TCR)，并且感测电阻器114和116可以被配置为具有更高的TCR。在一些实施例中，具有更高TCR的感测电阻器114和116可以具有大约1000ppm/℃或更高的TCR值。在一个实施例中，铂膜，其可以用于感测电阻器114和116，可以具有从大约3000ppm/℃到大约3600ppm/℃的范围内的TCR。加热器电阻器112的该“接近零”的TCR可以是低于1000ppm/℃的任何TCR值。例如，该加热电阻器112的TCR可以是范围为零加或减(±)大约1000ppm/℃，±大约750ppm/℃，±大约500ppm/℃，±大约400ppm/℃，±大约300ppm/℃，±大约250ppm/℃，±大约200ppm/℃，±大约150ppm/℃，±大约100ppm/℃，±大约50ppm/℃，或者是处于小于1000ppm/℃(加或减)的任何其它的范围。
在一个示例中，该加热器电阻器112和该感测电阻器114和116可以包括被掺杂的多晶硅材料以在该加热器电阻器112和该感测电阻器114和116内提供期望的TCR。用于该加热器电阻器112和感测电阻器114和116的多晶硅可以分别地被适当掺杂和/或被配置为实现零或接近零TCR以及更高的TCR。多晶硅的TCR可以取决于，例如，多晶硅厚度、多晶硅晶粒大小、掺杂剂的种类、掺杂剂浓度、多晶硅内的杂质(包括多晶硅沉积过程中的氧含入)、热退火过程，以及其它的因素。在一个示例中，多晶硅可以掺杂有任何合适的掺杂剂，包括，例如，磷、砷、硼、锑、镓、铝、和/或其它的掺杂剂。在一些情况下，加热器电阻器112和感测电阻器114和116的受控制的TCR可以通过，例如改变所用的掺杂剂和/或在每个部件中所用掺杂剂的量，来实现。还设想的是其它的具有更高TCR的薄膜电阻器材料可以用于感测电阻器114和116，包括，例如，铂，掺杂晶体硅，坡莫合金，硅铬(SiCr)，钽，氮化钽，铬合金(chromalloy)，镍铬耐热合金，硅化物，和/或任何其它合适的材料或者材料组合。
在一些情况下，加热器电阻器112可以具有零或者接近零的TCR以增加加热器电阻器112的热稳定性和/或可靠性。例如当加热器电阻器112中具有正的TCR时，以及在特定情况下(例如当加热器电阻器112在恒流偏置下)，加热器电阻器112可能变得热不稳定。也就是说，当施加恒定电流时，加热器电阻器112可能温度升高，这由于该正的TCR而随后可使加热器电阻器112的电阻进一步增加，这可使加热器电阻器温度进一步升高，等等。这种循环通常可能引起损坏加热器电阻器112和/或传感器。将加热器电阻器112加工成具有零或接近零的TCR有助于避免这样的正反馈循环。
如图1所示，流量感测管芯100可以包括邻近衬底102设置或设置在衬底102上的一个或多个丝焊焊盘(wire bond pad)122。在一些情况下，该丝焊焊盘可以沿着衬底的一侧布置，如图1所示，但这不被要求。在一些示例性实施例中，根据需要，丝焊焊盘122可以沿着管芯多个边缘，或者在感测管芯100上的其它位置处布置。丝焊焊盘122可以配置为相对于该一个或多个流量感测管芯部件，诸如加热器电阻器112和感测电阻器114和116和/或温度传感器电阻器118，而传送信号。根据需要，丝焊焊盘可以包括金、铝、铜、和/或任何的其它合适导体材料或者材料组合或者主要由其而形成。可以提供迹线以将丝焊焊盘122电连接到合适的流量传感器部件。虽然未示出，流量感测管芯100可以与上盖结合以形成容纳通过其的流体流的流体通道。
其它的流量感测管芯结构被预期。例如流量感测管芯可以配置为微桥或者MicrobrickTM传感器组件，但这不被要求。被认为适于测量质量流量和/或速度的一些示例性的方法和传感器结构在，例如，美国专利号4,478,076；4,478,077；4,501,144；4,581,928；4,651,564；4,683,159；5,050,429；6,169,965；6,223,593；6,234,016；6,502,459；7,278,309；7,513,149；和7,647,842中公开。设想的是，根据需要，流量感测管芯100可以包括这些这些流量传感器结构和方法中的任何一个。然而应认识到，根据需要，流量传感器100可以是任何合适的流量传感器。并且，如上所指出的，尽管流量传感器100被用作示例，设想的是，本公开可以根据需要应用于其他类型传感器，包括，例如，热传导传感器，化学传感器，和/或其它的传感器。
图3和4分别示出另一个示例性的流量传感器管芯200的示意性的顶视图和示意性的剖视图。该示例性的流量传感器管芯200与流量传感器管芯100共享多个特征。流量传感器管芯200可以包括膜206，其可以包括薄膜层204，该薄膜层204是衬底202的一部分和/或由衬底202支承，其中在膜上布置有一个或多个流量传感器部件，诸如加热器电阻器212和感测电阻器214和216。流量感测管芯200与流量感测管芯100可以在以下方面不同，丝焊焊盘可以同时布置在流量感测管芯200的左侧222和右侧224，和/或凹槽226可以形成在该管芯200内以至少部分地限定流体通道的入口和出口，该流体通道至少延伸穿过该流量传感器部件。
图5A和5B是示出制造图1所示的流量感测管芯100的示例性方法的剖视图。在一些实施例中，流量感测管芯100可以制造为硅(或其它合适的材料)晶片上的多个流量感测管芯中的一个。
如图5A所示，硅晶片，或者衬底300，可设置有在其上布置的介电层302。介电层302可以由例如衬底300的顶部氧化而形成。然而，可以采用形成介电层302的其它方法，包括沉积。下一步，可以采用合适的制造工艺将多晶硅层304(例如无掺杂多晶硅层)沉积在该介电层302上。然后，该无掺杂多晶硅层304可以被合适的掺杂剂轻度掺杂，如306所示。该掺杂剂可以是任何合适的掺杂剂，包括，例如，磷，砷，硼，或者其它的掺杂剂。在一些情况下，可以选择掺杂剂306的浓度和/或掺杂剂306的类型以实现多晶硅层304中的零或者接近零电阻温度系数(TCR)。这些参数可以根据，例如，多晶硅厚度，多晶硅晶粒大小，多晶硅中的杂质(例如，多晶硅沉积过程中的氧含入)，和/或多晶硅的热退火过程而变化。
然后，如图5B所示，可以在掺杂多晶硅层304的一部分上设置覆盖层或掩蔽层308，其随后将限定加热电阻器312。然后，该多晶硅层304的其余部分可以第二次掺杂掺杂剂306以限定重度掺杂区域。一旦多晶硅具有期望的掺杂剂306浓度，可以去除覆盖层308并且可以采用合适的制造工艺(例如，光刻)限定加热电阻器312和感测电阻器310。
在一些实施例中，在已经限定出轻度掺杂的加热电阻器312和重度掺杂的感测电阻器310之后，薄膜保护层314，诸如，例如，氮化硅，可以沉积在该加热电阻器312和感测电阻器310之上。而且，设想的是，可以采取任何合适的刻蚀工艺，诸如，例如，利用各向异性刻蚀剂(例如，KOH，TMAH，或者EDP)的湿法刻蚀或干法刻蚀，深反应离子刻蚀，从背部刻蚀衬底300以限定空隙(例如图2的空隙110)。
图6A-6C是示出制造图1所示的流量感测管芯100的另一个示例性的方法的剖视图。在一些实施例中，流量感测管芯100可以制造成硅(或其它晶片)上的多个流量感测管芯中的一个。如图6A所示，硅晶片，或衬底400，可以设置有形成在其上的介电层402。介电层可以通过，例如氧化衬底400，来形成。然而，可以采用形成介电层402的其它方法。随后，可以采用合适的制造工艺在介电层402上沉积多晶硅层404(例如无掺杂多晶硅层)。然后，该无掺杂多晶硅层404可以被轻度掺杂合适的掺杂剂406。掺杂剂406可以是任何合适的掺杂剂，包括，例如，磷，砷，硼，或者其它掺杂剂(多种)。在一些情况下，可以选择掺杂剂406的浓度和/或掺杂剂406的类型以实现多晶硅层404的零或接近零的电阻温度系数。这些参数可以根据，例如，多晶硅厚度、多晶硅晶粒大小、多晶硅中的杂质(例如多晶硅沉积过程中的氧含入)、和/或热退火过程，而变化。
然后，如图6B所示，可采用合适制造工艺在多晶硅层404内限定加热电阻器412。然后可以在加热电阻器412上沉积薄膜保护层408，诸如氮化硅。可采用合适的沉积工艺沉积第二无掺杂多晶硅层414。然后，如图6C所示，第二无掺杂多晶硅层414可以用合适的掺杂剂406进行重度掺杂。该掺杂剂可以是任何合适的掺杂剂，包括，例如，磷，砷，硼，或者其它合适的掺杂剂(多种)。在一些情况下，可以选择掺杂剂406的浓度和/或掺杂剂406的类型以在多晶硅层414内实现相对高的电阻温度系数。这些参数可以根据，例如，多晶硅厚度、多晶硅晶粒大小、多晶硅内的杂质(特别是多晶硅沉积过程中的氧含入)、和/或多晶硅的热退火过程，而变化。随后可采用合适制造工艺限定感测电阻器410。
在一些实施例中，在已经限定出轻度掺杂的加热电阻器412和重度掺杂的感测电阻器410之后，薄膜保护层416，诸如氮化硅，可以沉积在该加热电阻器412和感测电阻器410之上。在一些情况下，可以采取任何合适的刻蚀工艺，诸如，例如，利用各向异性刻蚀剂(例如，KOH，TMAH，或者EDP)的湿法刻蚀或干法刻蚀，深反应离子刻蚀，从背部刻蚀衬底400以限定空隙(例如图2的空隙110)。
上述的制造流量感测管芯100的方法仅仅是示例性的，并且设想的是，可以采用其它的方法以提供感测管芯，该感测管芯设置有具有零或接近零TCR的加热电阻器和具有更高TCR的感测电阻器。例如，代替沉积第二无掺杂多晶硅层414以及随后的具有掺杂剂的重度掺杂层414，设想的是，除了多晶硅之外的材料可以被沉积并随后被掺杂，或者具有更高TCR的材料可以被沉积。随后可以采用合适的制造工艺将感测电阻器限定在此材料层内。示例材料可以包括铂、坡莫合金、掺杂晶体硅、硅铬、钽、氮化钽、铬合金、镍铬耐热合金、硅化物、和/或任何其它合适的材料或者材料组合。
从而，已描述了本公开的优选实施例，本领域技术人员将容易地理解在后面所附权利要求范围内还可使用和作出其它实施方式。本文件所涵盖的本公开的许多优点在前面的描述中已阐述。然而将理解的是，本公开，在许多方面，仅仅是示例性的。在细节上、尤其是在形状、大小、以及部件排列方面可以作出改变，而不超出本公开的范围。当然，本公开的范围是由所附的权利要求表述的语言来限定。

Claims (10)

1.一种用于感测沿着流向的流体的流量的流量感测管芯(100)，该流量感测管芯(100)包括：
衬底(102)，该衬底(102)限定膜(106)；
由该膜(106)支承的加热器电阻器(112)，其中该加热器电阻器(112)包括掺杂有第一浓度的掺杂剂(306)的多晶硅材料；
第一感测电阻器，由该膜(106)支承，位于该加热器电阻器(112)的相对于流向的上游位置；
第二感测电阻器，由该膜(106)支承，位于该加热器电阻器(112)的相对于流向的下游位置；以及
其中所述第一感测电阻器和第二感测电阻器包括掺杂有第二浓度的掺杂剂(306)的多晶硅材料，其中所述第二浓度大于所述第一浓度。
2.根据权利要求1所述的流量感测管芯(100)，其中该第一浓度的掺杂剂(306)被配置为提供具有在零加或减大约500ppm/℃的范围内的电阻温度系数（TCR）的加热器电阻器(112)。
3.根据权利要求1或2所述的流量感测管芯(100)，其中该第二浓度的掺杂剂(306)被配置为在该第一感测电阻器和该第二感测电阻器内提供相对于该加热器电阻器(112)更大的电阻温度系数。
4.根据权利要求1或2所述的流量感测管芯(100)，其中该掺杂剂(306)包括磷，砷，硼，锑，铝，或者镓。
5.根据权利要求1或2所述的流量感测管芯(100)，其中，当该加热器电阻器(112)被启动时，该第一感测电阻器和该第二感测电阻器被配置为感测沿着流向的流体的流量中的温度差。
6.根据权利要求1或2所述的流量感测管芯(100)，其中该加热器电阻器(112)，第一感测电阻器，和第二感测电阻器是薄膜电阻元件。
7.一种制造流量感测管芯(100)的方法，该方法包括：
提供衬底(102)；
在该衬底(102)上沉积一个或多个多晶硅层(104)；
对该一个或多个多晶硅层(104)的第一部分进行掺杂以具有在零加或减1000ppm/℃的范围内的第一电阻温度系数（TCR）；
在该一个或多个多晶硅层(104)的该第一部分内限定加热器元件；
对该一个或多个多晶硅层(104)的第二部分进行掺杂以具有第二电阻温度系数，其中第二电阻温度系数高于第一电阻温度系数；以及
在该一个或多个多晶硅层(104)的该第二部分内限定一个或多个感测元件。
8.根据权利要求7所述的方法，其中该第一电阻温度系数(TCR)在零加或减大约500ppm/℃的范围内。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中
对该一个或多个多晶硅层(104)的第一部分进行掺杂以具有第一电阻温度系数包括对该一个或多个多晶硅层(104)的该第一部分掺杂第一浓度的掺杂剂(306)；以及
对该一个或多个多晶硅层(104)的第二部分进行掺杂以具有第二电阻温度系数包括对该一个或多个多晶硅层(104)的该第二部分掺杂第二浓度的掺杂剂(306)，其中该第二浓度大于该第一浓度。
10.根据权利要求9所述的方法，其中该一个或多个多晶硅层(104)的该第一部分在第一掺杂过程中被掺杂，以及该一个或多个多晶硅层(104)的该第二部分在该第一掺杂过程和第二掺杂过程中被掺杂。
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