CN104406644A - 一种mems热式流量传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MEMS热式流量传感器及其制造方法，其中MEMS热式流量传感器包括衬底、第一组热敏电阻体、加热电阻体、第二组热敏电阻体、环境温度测量电阻体、引出线、钝化保护层和电极焊盘部。MEMS热式流量传感器的制造方法选用具有绝缘作用、高热阻、抗振动的材料作为衬底，并在衬底上溅射金属层或半导体层，并在金属层或半导体层上通过刻蚀形成第一组热敏电阻体、加热电阻体、第二组热敏电阻体、环境温度测量电阻体、引出线，同时通过二氧化硅或聚酰亚胺形成钝化保护层，并在引出线末端电镀金或铝形成电极焊盘部。本发明简化了加工工艺，降低了制造成本，制作了备用热敏电阻体和钝化保护层，提高了传感器的可靠性。

Description

一种MEMS热式流量传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种微电子机械系统(MEMS)热式流量传感器及其制造方法，属于传感技术领域。

背景技术

随着科技的飞速发展和科技的不断进步，流量检测的任务越来越重，传统的流体传感器由于存在着灵敏度低、体积大、成本高等缺点，在微流体的流体特性测量中存在很大的局限性。随着微电子机械系统(MEMS)技术的不断进步，具有体积小，功耗低等特点的MEMS流量传感器应运而生，并大量的应用于汽车、天然气、分析化学、生物工程、医药工程领域等。热式流量传感器测量流量范围较宽，具有很高的灵敏度，流量下限也很低。热式流量传感器的关键部件是加热元件、感应元件和隔热处理。小的加热元件和感应元件可以提高传感器的响应速度，不同的基体隔热效果是不相同的，良好的隔热可以提高传感器灵敏度。热式传感器是微型流量传感器研究热点，其发展趋势是向进一步微型化和三维化并能分辨流动方向发展。由于检测的流体多为含有杂质的气体和液体，流量传感器很容易受到污染和腐蚀，影响传感器可靠性和寿命。另外，现有的热式MEMS流量传感器多用硅基作衬底，工艺复杂，成本较高，且抗振动和隔热性不能兼容。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种MEMS热式流量传感器及其制造方法，该热式流量传感器解决了现有热式流量传感器易受污染，抗振动和隔热性不能兼容的难题，制造方法加工工艺简单，成本低，能够实现批量生产。

本发明的技术解决方案是：一种MEMS热式流量传感器，包括：衬底、第一组热敏电阻体、加热电阻体、第二组热敏电阻体、环境温度测量电阻体、引出线、钝化保护层和电极焊盘部；

衬底背面加工有一个空腔，衬底位于空腔上方的部分形成薄膜层；在薄膜层上表面设置有加热电阻体，第一组热敏电阻体和第二组热敏电阻体沿流体流动的方向对称地设置在加热电阻体两侧；在衬底的上表面，靠近薄膜层的位置处设置有环境温度测量电阻体，且环境温度测量电阻体相较于加热电阻体更靠近流体上游一侧；

第一组热敏电阻体包括第一热敏电阻体和第二热敏电阻体，第二组热敏电阻体包括第三热敏电阻体和第四热敏电阻体，第一热敏电阻体的两端、第二热敏电阻体的两端、第三热敏电阻体的两端、第四热敏电阻体的两端以及加热电阻体的两端均设置有引出线，环境温度测量电阻体一端设置有引出线，另一端与加热电阻体的一端相连；

衬底、第一组热敏电阻体、加热电阻体、第二组热敏电阻体、环境温度测量电阻体以及引出线的表面覆盖有钝化保护层；

所述各引出线末端均加工有电极焊盘部，所述电极焊盘部穿过钝化保护层与外部电路相连接。

所述加热电阻体的中心位于薄膜层的中心处，且第一组热敏电阻体、第二组热敏电阻体和加热电阻体的中心位于同一直线上。

所述第一热敏电阻体两端的引出线与第四热敏电阻体两端的引出线关于加热电阻体对称，第二热敏电阻体两端的引出线与第三热敏电阻体两端的引出线关于加热电阻体对称。

所述第一热敏电阻体、第二热敏电阻体、加热电阻体、第三热敏电阻体、第四热敏电阻体、环境温度测量电阻体和引出线的材料为铂、钨、镍合金或掺杂有杂质的多晶硅、单晶硅。

所述衬底的材料为玻璃、石英或陶瓷。

所述钝化保护层的材料为二氧化硅或聚酰亚胺。

所述电极焊盘部采用电镀金或铝形成。

制造MEMS热式流量传感器的方法，包括以下步骤：

(1)选择玻璃、石英或陶瓷材料作为衬底；

(2)在衬底的上表面通过溅射的方法形成金属层或半导体层，其中金属层为铂、钨或镍合金，半导体层为掺杂有杂质的多晶硅、单晶硅；

(3)通过光刻和刻蚀技术对步骤(2)的金属层或半导体层进行刻蚀，同时获得加热电阻体及其引出线、第一组热敏电阻体及其引出线、第二组热敏电阻体及其引出线、环境温度测量电阻体及其引出线，其中第一组热敏电阻体包括第一热敏电阻体和第二热敏电阻体，第二组热敏电阻体包括第三热敏电阻体和第四热敏电阻体；

(4)在衬底、第一组热敏电阻体、加热电阻体、第二组热敏电阻体、环境温度测量电阻体以及引出线的表面通过低压化学气相沉积的方法淀积一层二氧化硅或旋涂聚酰亚胺，形成钝化保护层；

(5)去除各引出线末端的钝化保护层，在所述各引出线末端电镀金或铝，形成电极焊盘部；

(6)在衬底的背面制作出空腔，使空腔上方的衬底形成薄膜层，同时使加热电阻体、第一组热敏电阻体和第二组热敏电阻体位于薄膜层上。

所述步骤(6)中采用腐蚀、刻蚀或喷砂的方法制作空腔。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明的热式流量传感器，采用具有绝缘作用、高热阻、抗振动的材料作为衬底，可选用材料包括玻璃、石英、陶瓷。由于衬底本身具有绝缘作用，所以不需要制作绝缘层，简化了制造工艺，降低了制造成本，能够实现批量生产；由于衬底具有高热阻且抗振动，保证了传感器的隔热性和抗振动性能。

(2)本发明的热式流量传感器，采用备用热敏电阻体的设计，提高了传感器的可靠性。

(3)本发明的热式流量传感器，采用二氧化硅薄膜或聚酰亚胺作为钝化保护层，防止了流体对传感器的污染和腐蚀，提高了传感器可靠性和寿命，所选材料的表面粘度低、导热性能好，保证了测量的准确性和灵敏度。

附图说明

图1为本发明的示意图，其中1A和1B分别为俯视图和剖面图；

图2为本发明制造方法中步骤(1)—(3)的工序完成后的示意图，其中2A和2B分别为俯视图和剖面图；

图3为本发明制造方法中步骤(4)的工序完成后的示意图，其中3A和3B分别为俯视图和剖面图；

图4为本发明制造方法中步骤(5)的工序完成后的示意图，其中4A和4B分别为俯视图和剖面图；

图5为本发明制造方法中步骤(6)的工序完成后的示意图，其中5A和5B分别为俯视图和剖面图。

具体实施方式

图1为本发明的MEMS热式流量传感器结构示意图，1A为其俯视图，1B为其沿图1A的X-X’线的剖面图。

MEMS热式流量传感器1，其结构包括一个衬底2，衬底2底部有一个空腔3，空腔3上方的衬底形成薄膜层4；薄膜层4上方表面有加热电阻体5，且加热电阻体5垂直于流体运动方向，对加热电阻体5进行加热控制，使其温度比流体12的温度高；加热电阻体5两侧，沿流体运动方向对称地设置有第一组热敏电阻体和第二组热敏电阻体，其中第一组热敏电阻体包括第一热敏电阻体6a和第二热敏电阻体6b、第二组热敏电阻体包括第三热敏电阻体7a和第四热敏电阻体7b，第二热敏电阻体6b和第四热敏电阻体7b为备用电阻体，第一组热敏电阻体配置于比加热电阻体5更靠流体12上游侧的位置，第二组热敏电阻体配置于比加热电阻体5更靠流体12下游侧的位置；在紧靠薄膜层4的衬底2上表面、比加热电阻体5更靠流体12上游侧的位置有参考环境温度测量电阻体8，用于测量流体12的环境温度；

第一热敏电阻体6a的两端设置有第一引出线9a和第二引出线9f，第二热敏电阻体6b的两端设置有第三引出线9b和第四引出线9g；第二组热敏电阻体包括第三热敏电阻体7a和第四热敏电阻体7b，第三热敏电阻体7a的两端设置有第五引出线9d和第六引出线9j，第二热敏电阻体6b的两端设置有第七引出线9e和第八引出线9k；加热电阻体5上设置有第九引出线9c和第十引出线9i，环境温度测量电阻体8的一端设置有第十一引出线9h，另一端与加热电阻体5的临近端相连，与加热电阻体5共用第十引出线9i。

衬底2、薄膜层4、加热电阻体5、第一组热敏电阻体、第二组热敏电阻体、参考环境温度测量电阻体8、引出线表面覆盖有钝化保护层10，钝化保护层10避免MEMS热式流量传感器1受到污染和腐蚀；

第一引出线9a和第二引出线9f的末端(未与第一热敏电阻体6a连接的一端)分别加工有第一电极焊盘部11a和第二电极焊盘部11f，第三引出线9b和第四引出线9g的末端(未与第二热敏电阻体6b连接的一端)分别加工有第三电极焊盘部11b和第四电极焊盘部11g，第五引出线9d和第六引出线9j的末端(未与第三热敏电阻体7a连接的一端)分别加工有第五电极焊盘部11d和第六电极焊盘部11j，第七引出线9e和第八引出线9k的末端(未与第四热敏电阻体7b连接的一端)分别加工有第七电极焊盘部11e和第八电极焊盘部11k，第九引出线9c和第十引出线9i的末端(未与加热电阻体5连接的一端)分别加工有第九电极焊盘部11c和第十电极焊盘部11i，第十一引出线9h的末端(未与环境温度测量电阻体8连接的一端)加工有第十一电极焊盘部11h，电极焊盘部透过钝化保护层10与引出线相连，作为将加热电阻体5、第一组热敏电阻体、第二组热敏电阻体和参考环境温度测量电阻体8与外部驱动、检测电路相连接的电极。

作为一种更优选的实施方式，加热电阻体5的中心位于薄膜层4的中心处，且第一组热敏电阻体、第二组热敏电阻体和加热电阻体5的中心位于同一直线上，第一热敏电阻体6a两端的引出线与第四热敏电阻体7b两端的引出线关于加热电阻体5对称，第二热敏电阻体6b两端的引出线与第三热敏电阻体7a两端的引出线关于加热电阻体5对称。这种实施方式能够使MEMS热式流量传感器1具有更好的性能。

衬底2由具有绝缘作用、高热阻、抗振动的材料形成，可以选择玻璃、石英、陶瓷。

加热电阻体5、第一组热敏电阻体、第二组热敏电阻体、参考环境温度测量电阻体8由阻值随温度变化的电阻温度系数比较大的材料形成，可以选择铂、钨、镍合金等金属材料或掺杂有杂质的多晶硅、单晶硅的半导体材料。

钝化保护层10由具有隔离保护作用的二氧化硅薄膜或聚酰亚胺形成，可以防止流体12对MEMS热式流量传感器1的污染和腐蚀。

电极焊盘部11由具有稳定性高、耐腐蚀、易于焊接的金属金或铝形成。

作为本发明的实施例的MEMS热式流量传感器，工作方式如下：

流体12的流速为零时，加热电阻体5被加热，其附近部分流体12温度较其他位置的流体12温度较高，加热电阻体5附近形成对称的温度分布，第一组热敏电阻体6a、6b和第二组热敏电阻体7a、7b所处位置的温度相同。当流体12的流速不为零时，加热电阻体5的上游侧第一组热敏电阻体6a、6b的位置被流体12冷却而温度下降，下游侧第二组热敏电阻体7a、7b的位置因为流过的是经过加热电阻体5加热的部分流体12，所以温度上升。所以，第一组热敏电阻体6a、6b和第二组热敏电阻体7a、7b存在温度差，导致第一热敏电阻体6a和第四热敏电阻体7b形成电阻值差值，第二热敏电阻体6b和第三热敏电阻体7a形成电阻值差值，按照电阻差值、温度差和流量之间的公式，可以通过电阻差值计算出流体12的流量，基于这种原理由外加电路测量流量。

参照图2-图5，对本实施例的MEMS热式流量传感器的制造方法进行说明。

(1)选择具有绝缘作用、高热阻、抗振动的材料作为衬底2，如玻璃、石英或陶瓷；

(2)在衬底2的表面通过溅射的方法形成厚度约为1um的金属层或半导体层，其中金属层为铂、钨或镍合金，半导体层为掺杂有杂质的多晶硅、单晶硅；本实施例选用金属铂作为金属层；

(3)通过光刻和刻蚀技术按照设计图形对步骤(2)的金属铂进行刻蚀，同时获得加热电阻体5及其引出线、第一组热敏电阻体及其引出线、第二组热敏电阻体及其引出线、环境温度测量电阻体及其引出线，其中环境温度测量电阻体8的一端与加热电阻体5的一端共用一根引出线，第一组热敏电阻体和第二组热敏电阻体沿流体流动的方向对称地设置在加热电阻体5两侧，环境温度测量电阻体8位于加热电阻体5、第一组热敏电阻体、第二组热敏电阻体所在区域以外、靠近流体12上游一侧的区域上，第一组热敏电阻体包括第一热敏电阻体6a和第二热敏电阻体6b，第二组热敏电阻体包括第三热敏电阻体7a和第四热敏电阻体7b；

(4)在衬底2、第一组热敏电阻体、加热电阻体5、第二组热敏电阻体、环境温度测量电阻体8以及引出线的表面通过低压化学气相沉积的方法淀积一层厚度为0.2um的二氧化硅或旋涂厚度为0.2um的聚酰亚胺，形成钝化保护层10；本实施例采用淀积一层厚度为0.2um的二氧化硅的方式形成钝化保护层；

(5)去除各引出线未与相应电阻体连接的一端的钝化保护层，在所述各引出线未与相应电阻体连接的一端电镀金或铝，形成电极焊盘部；

(6)在衬底2的下表面采用腐蚀、刻蚀或喷砂的方法制作出空腔3，使空腔上方的衬底形成薄膜层4，同时使加热电阻体5、第一组热敏电阻体和第二组热敏电阻体位于薄膜层4上。

步骤(1)—(3)的工序完成后的示意图如图2所示，2A为其俯视图，2B为其沿图2A的X-X’线的剖面图：衬底2选择玻璃基底，在衬底2的表面通过溅射的方法形成厚度约为1um的金属铂，通过光刻和刻蚀技术以规定的形状对金属铂进行图案形成，获得加热电阻体5、第一组热敏电阻体、第二组热敏电阻体、参考环境温度测量电阻体8和引出线。

步骤(4)的工序完成后的示意图如图3所示，3A为其俯视图，3B为其沿图3A的X-X’线的剖面图：在衬底2、薄膜层4、加热电阻体5、热敏电阻体6、7、参考环境温度测量电阻体8、引出线表面通过低压化学气相沉积的方法淀积一层厚度约为0.2um的二氧化硅，形成钝化保护层10。

步骤(5)的工序完成后的示意图如图4所示的工序，4A为其俯视图，4B为其沿图4A的X-X’线的剖面图：以规定的形状去除钝化保护层10的局部后，电镀金属金，形成电极焊盘部。

步骤(6)的工序完成后的示意图如图5所示，5A为其俯视图，5B为其沿图5A的X-X’线的剖面图：在衬底2的背面，通过腐蚀的方法以规定的形状对玻璃基底进行腐蚀，由此形成空腔3和薄膜层4。

上面详细叙述了微机械加工的一种MEMS热式流量传感器的特征结构及制造方法，本领域内的技术人员可以在此基础上进行局部调整和修改，不难重复出本发明的结果，但这并不会超出本发明权利要求的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种MEMS热式流量传感器，其特征在于包括：衬底(2)、第一组热敏电阻体、加热电阻体(5)、第二组热敏电阻体、环境温度测量电阻体(8)、引出线、钝化保护层(10)和电极焊盘部；

衬底(2)背面加工有一个空腔(3)，衬底(2)位于空腔(3)上方的部分形成薄膜层(4)；在薄膜层(4)上表面设置有加热电阻体(5)，第一组热敏电阻体和第二组热敏电阻体沿流体流动的方向对称地设置在加热电阻体(5)两侧；在衬底(2)的上表面，靠近薄膜层(4)的位置处设置有环境温度测量电阻体(8)，且环境温度测量电阻体(8)相较于加热电阻体(5)更靠近流体上游一侧；

第一组热敏电阻体包括第一热敏电阻体(6a)和第二热敏电阻体(6b)，第二组热敏电阻体包括第三热敏电阻体(7a)和第四热敏电阻体(7b)，第一热敏电阻体(6a)的两端、第二热敏电阻体(6b)的两端、第三热敏电阻体(7a)的两端、第四热敏电阻体(7b)的两端以及加热电阻体(5)的两端均设置有引出线，环境温度测量电阻体(8)一端设置有引出线，另一端与加热电阻体(5)的一端相连；

衬底(2)、第一组热敏电阻体、加热电阻体(5)、第二组热敏电阻体、环境温度测量电阻体(8)以及引出线的表面覆盖有钝化保护层(10)；

所述各引出线末端均加工有电极焊盘部，所述电极焊盘部穿过钝化保护层(10)与外部电路相连接。

2.如权利要求1所述的MEMS热式流量传感器，其特征在于：加热电阻体(5)的中心位于薄膜层(4)的中心处，且第一组热敏电阻体、第二组热敏电阻体和加热电阻体(5)的中心位于同一直线上。

3.如权利要求2所述的MEMS热式流量传感器，其特征在于：所述第一热敏电阻体(6a)两端的引出线与第四热敏电阻体(7b)两端的引出线关于加热电阻体(5)对称，第二热敏电阻体(6b)两端的引出线与第三热敏电阻体(7a)两端的引出线关于加热电阻体(5)对称。

4.如权利要求1所述的MEMS热式流量传感器，其特征在于：所述第一热敏电阻体(6a)、第二热敏电阻体(6b)、加热电阻体(5)、第三热敏电阻体(7a)、第四热敏电阻体(7b)、环境温度测量电阻体(8)和引出线(9)的材料为铂、钨、镍合金或掺杂有杂质的多晶硅、单晶硅。

5.如权利要求1所述的MEMS热式流量传感器，其特征在于：所述衬底(2)的材料为玻璃、石英或陶瓷。

6.如权利要求1所述的MEMS热式流量传感器，其特征在于：所述钝化保护层(10)的材料为二氧化硅或聚酰亚胺。

7.如权利要求1所述的MEMS热式流量传感器，其特征在于：所述电极焊盘部(11)采用电镀金或铝形成。

8.制造如权利要求1所述MEMS热式流量传感器的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)选择玻璃、石英或陶瓷材料作为衬底(2)；

(2)在衬底(2)的上表面通过溅射的方法形成金属层或半导体层，其中金属层为铂、钨或镍合金，半导体层为掺杂有杂质的多晶硅、单晶硅；

(3)通过光刻和刻蚀技术对步骤(2)的金属层或半导体层进行刻蚀，同时获得加热电阻体(5)及其引出线、第一组热敏电阻体及其引出线、第二组热敏电阻体及其引出线、环境温度测量电阻体及其引出线，其中第一组热敏电阻体包括第一热敏电阻体(6a)和第二热敏电阻体(6b)，第二组热敏电阻体包括第三热敏电阻体(7a)和第四热敏电阻体(7b)；

(4)在衬底(2)、第一组热敏电阻体、加热电阻体(5)、第二组热敏电阻体、环境温度测量电阻体(8)以及引出线的表面通过低压化学气相沉积的方法淀积一层二氧化硅或旋涂聚酰亚胺，形成钝化保护层(10)；

(5)去除各引出线末端的钝化保护层(10)，在所述各引出线末端电镀金或铝，形成电极焊盘部；

(6)在衬底(2)的背面制作出空腔，使空腔上方的衬底(2)形成薄膜层(4)，同时使加热电阻体(5)、第一组热敏电阻体和第二组热敏电阻体位于薄膜层(4)上。

9.如权利要求8所述的制造MEMS热式流量传感器的方法，其特征在于：所述步骤(6)中采用腐蚀、刻蚀或喷砂的方法制作空腔。