CN105865552A - 一种基于mems工艺的集成阵列式薄膜气体流量传感器及其加工方法 - Google Patents

一种基于mems工艺的集成阵列式薄膜气体流量传感器及其加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于MEMS工艺的集成阵列式薄膜气体流量传感器及其加工方法：从上到下依次包括薄膜掩蔽层、薄膜电阻结构、薄膜悬空隔离层和硅基底层，硅基底层的中央位置中开设有带有反应刻蚀的沟槽，薄膜悬空隔离层衬于硅基底层的上方，薄膜悬空隔离层上的四个方位角处均设有一个正方形的开口窗；薄膜电阻结构位于薄膜悬空隔离层的外表面，由n×n个相同的敏感测量单元构成并呈集成阵列式的薄膜电阻结构，每个敏感测量单元均由薄膜测温电阻和薄膜加热电阻构成。本发明兼具体积小，重量轻，成本低，可靠性高，功耗小，加工工艺方便等优点，控制敏感测量单元的数量能够控制传感器的测量精度，使其能够应对不同场合的需求，形成系列化产品。

Description

一种基于MEMS工艺的集成阵列式薄膜气体流量传感器及其加工方法
技术领域
本发明涉及微机械气体流量传感器技术，具体涉及一种基于MEMS工艺的集成阵列式薄膜气体流量传感器及其加工方法。
背景技术
气体测量在航天、能源、交通工业、医学以及节能减排等领域至关重要。传统气体流量检测依赖的传感器往往存在着尺寸大、精度低、响应速度慢的缺点。随着人们对精度要求的越来越高，以及微电子技术的发展，传统的热式气体流量传感器已经无法满足现在工业要求的微型化、集成化的要求。且当今市场上常用的热式气体流量传感器，往往只能检测单一方向的气体流量，无法完成二维方向气体流量的检测。随着工业领域中，气体流量检测对多方向、高精度、快响应趋势的发展，迫切需要设计一种能够有效测量二维方向气体流量的传感器来弥补现阶段市场产品的不足。传统的单一敏感单元的传感器存在数据采集量低，稳定性差，精度低的缺点。多敏感单元集成的阵列式传感器已经越来越成为气体测量领域的主流。
本世纪初，微系统技术革命逐渐兴起。功能结构的微纳米化能够带来能源与原材料的节省，在不损失精度要求的前提下导致多功能的高度集成和生产成本的大大降低，为各项领域和技术提供了新的发展机会和研究方向，将MEMS技术应用于气体流量传感器制造已成为越来越瞩目的应用领域之一。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于MEMS工艺的集成阵列式薄膜气体流量传感器及其加工方法。
技术方案：本发明一种基于MEMS工艺的集成阵列式薄膜气体流量传感器，从上到下依次包括薄膜掩蔽层、薄膜电阻结构、薄膜悬空隔离层和硅基底层，所述硅基底层的中央位置中开设有带有反应刻蚀的沟槽，所述薄膜悬空隔离层衬于硅基底层的上方，薄膜悬空隔离层上的四个方位角处均设有一个正方形的开口窗；所述薄膜电阻结构位于薄膜悬空隔离层的外表面，由n×n个相同的敏感测量单元构成并呈集成阵列式的薄膜电阻结构，每个敏感测量单元均由薄膜测温电阻和薄膜加热电阻构成，薄膜加热电阻位于相应敏感测量单元的中心部位并呈回形或圆形分布，薄膜测温电阻沿对应薄膜加热电阻的延展方向分布且位于薄膜加热电阻两侧；所述薄膜掩蔽层位于整个薄膜电阻结构的外表面。
进一步的，所述敏感测量单元有n×n个，n为大于或等于2的正整数。
进一步的，所述薄膜悬空隔离层厚度为1～2μm；所述每个敏感测量单元中，薄膜加热电阻的线宽为13～15μm，薄膜测温电阻的线宽为3～5μm，并且薄膜加热电阻和薄膜测温电阻的厚度均为200nm；所述薄膜掩蔽层厚度约为300nm。
进一步的，所述薄膜悬空隔离层的制备材料为氮化硅，所述阵列式薄膜电阻结构的制备材料为铂金属，粘结层材料为金属钛；所述薄膜掩蔽层的制备材料为氮化硅。
进一步的，所述薄膜悬空隔离层上四个方位角的正方形开口窗，与硅基底体中心内的反应刻蚀沟槽连通。
本发明还公开了一种基于MEMS工艺的集成阵列式薄膜气体流量传感器的加工方法，依次包括以下步骤：
(1)取厚度约为375μm且晶向<100>的双抛型单晶硅放入120℃，(H2SO4：H2O2＝3：1)的清洗液中双面清洗10min，然后分别放入丙酮溶液和异丙酮溶液中，经过超声波清洗15min后去除烘干，去除晶面外的氧化膜和金属污染；
其中，该清洗液为H2SO4与H2O2的混合物，其体积比为(H2SO4：H2O2＝3：1)；
(2)用稀释的HF溶液去除有机杂质和SiO2，低压化学气相沉淀LPCVD生成氮化硅薄膜，反应气体为SiH4与NH3，反应炉内的温度为700℃，压力为0.6托(79.98帕)，6h后双面生长1μm厚的氮化硅膜；
(3)放入400℃的氮气中保存30min，进行退火；
(4)用光刻胶在氮化硅薄膜上定义出n×n片回形或圆形的薄膜加热电阻外形结构；
(5)利用干法刻蚀技术将暴露的氮化硅整体向下刻蚀出1μm深的沟槽；
(6)先在氮化硅沟槽中直流溅射30nm厚的金属Ti，再溅射200μm厚的金属Pt，形成金属薄膜。在两端溅射金属Au，形成电极和信号引线；
(7)利用光刻胶定义出每个测量单元的回形或圆形薄膜加热电阻两侧的测温电阻的外形结构，并保护步骤(3)中形成的Pt金属薄膜；
(8)直流溅射技术先溅射30nm厚的金属Ti，再溅射200μm金属Pt，形成金属薄膜。在两端溅射金属Au，形成电极和信号引线；
(9)以3000r/min旋涂光刻胶，保护步骤(6)～(8)步中溅射形成的金属薄膜、电极和信号引线，用掩膜版定义出薄膜四个方向角的方形开口窗；
(10)用干法刻蚀技术将方形开口窗中的氮化硅刻蚀干净，刻蚀气体为SF6；
(11)将硅片浸入30％的KOH溶液中，在85℃下反应2小时，悬空隔离层下的硅被持续腐蚀溶解，直到悬空隔离层和硅基底完全悬浮；
(12)利用LPVCD技术在集成阵列式金属薄膜上表面沉积300nm厚的氮化硅薄膜作为掩蔽层。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明中，将n×n片呈回形或圆形的敏感测量单元按阵列式分布于场空间中，使整个传感器能够测量场空间内各分布点由气体扰动产生的温度变化，通过每片敏感测量单元的信号引线将电压信号引出，通过外围的测量电路完成气体流量的检测。
(2)本发明中，各个独立的敏感测量单元构成传感器的敏感部分，提高敏感测量单元的数量，能够有效测量场空间内各点的温度变化，从而提高整个传感器的测量精度。
(3)本发明中的薄膜加热电阻呈回形或圆形分布，该敏感测量单元使整个传感器能够测量二维方向的气体流量。
(4)本发明中的敏感元件悬浮于硅基底上方，减少气体流量检测过程中热量向硅基底的传导，有效降低传感器热温度场的能量耗散，同时提高传感器灵敏度、测量精度和响应速度。
(5)本发明兼具体积小，重量轻，成本低，可靠性高，功耗小，加工工艺方便等优点，控制敏感测量单元的数量能够控制传感器的测量精度，使其能够应对不同场合的需求，形成系列化产品。
(6)本发明预期可广泛用于节能减排，交运交通，生物医疗等领域，具有极为广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图(薄膜加热电阻呈回形)；
图2为本发明的整体结构示意图(薄膜加热电阻呈圆形)；
图3为本发明中的薄膜电阻结构俯视图(薄膜加热电阻呈回形)；
图4为本发明中的薄膜电阻结构俯视图(薄膜加热电阻呈圆形)；
图5为本发明中的每一个测量单元的惠斯通电桥原理图；
图6为本发明的完整电路原理图；
图7为本发明的加工方法流程图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1和图2所示，本实施例的基于MEMS工艺的集成阵列式薄膜气体流量传感器，从上到下依次包括薄膜掩蔽层1、薄膜电阻结构2、薄膜悬空隔离层4和硅基底层5，硅基底层5的中央位置中开设有带有反应刻蚀的沟槽6，薄膜悬空隔离层4衬于硅基底层5的上方，薄膜悬空隔离层4上的四个方位角处均设有一个正方形的开口窗3；薄膜电阻结构2位于薄膜悬空隔离层4的外表面，由n×n个相同的敏感测量单元构成并呈集成阵列式的薄膜电阻结构2，每个敏感测量单元均由薄膜测温电阻22和薄膜加热电阻21构成，薄膜加热电阻21位于相应敏感测量单元的中心部位并呈回形或圆形分布，薄膜测温电阻22沿对应薄膜加热电阻21的延展方向分布且位于薄膜加热电阻21两侧；薄膜掩蔽层1位于整个薄膜电阻结构2的外表面。
氮化硅制成的薄膜掩蔽层1厚度约为300nm，氮化硅的致密性高，具有疏水性、疏气性的特点，结构强度好，除了HF和热磷酸能缓慢反应外具有很好的抗腐蚀性，能够有效地保护溅射形成的铂金属薄膜。而且，氮化硅的导热系数较高，能够有效保持气体流动过程中热量的传递性，维持传感器的热量集中度，使得薄膜加热电阻21产生的热量能够有效地集中于传感器测量范围内，并被分布于薄膜加热电阻21两侧的薄膜测温电阻22吸收。
如图3和图4所示，氮化硅制成的薄膜悬空隔离层4上，由n×n片呈回形或圆形的敏感测量单元按阵列式分布于场空间中，整个传感器能够测量场空间内各分布点由气体扰动产生的温度变化。其中，n取大于或等于2的正整数，例如2、3、4、5等等，若n取3，则共有3×3＝9个敏感测量单元按阵列分布于氮化硅隔离层4上，可通过改变n的取值改变敏感测量单元的数量。理论上，通过提高n来增加敏感测量单元的数量，增加温度场各点温度扰动的测量数，并有效提高传感器的测量精度。
薄膜电阻结构2作为整个传感器的敏感测量部分，分为薄膜加热电阻21和薄膜测温电阻22。针对每片敏感测量单元，薄膜加热电阻21嵌入氮化硅薄膜悬空隔离层4中并位于每片敏感测量单元的中心部位，薄膜测温电阻22分布在薄膜加热电阻21两侧，并沿着加热电阻21图形的延展方向分布。每片敏感测量单元的薄膜加热电阻21呈现回形或圆形分布，能够测量二维方向的气体流动。
金属铂的电阻率较大，电阻温度系数在-60℃～300℃范围能比较稳定，线性度较高，并且金属铂的化学性质稳定，不易腐蚀，产生的金属电阻具有响应速度较快且灵敏度较高的优点。薄膜测温电阻22和薄膜加热电阻21选用金属铂，采用直流溅射技术溅射至薄膜隔离层4上方。金属钛作为粘结层有效提高铂金属的粘附力，提高整个薄膜电阻与基底的粘结强度。
薄膜悬空隔离层4的厚度为1～2μm，用来承载集成阵列式薄膜电阻结构2，并使其与下方的硅基底层5分隔开来，减少上方薄膜电阻热量向下方的耗散，提高传感器的热量集中度，能够在保证测量精度和灵敏度的前提下，有效降低整个传感器的功耗。
并且，薄膜悬空隔离层4的四个方向角处均用光刻胶定义出四个方形的开口窗3，用ICP干法刻蚀技术刻蚀氮化硅，用来提高硅基底沟槽6的刻蚀速度。
硅基底层5双面热生长厚度为1～2μm的氮化硅，上层氮化硅作为隔离层4用于承载整个薄膜电阻结构2，下层氮化硅作为结构层保护整个传感器。硅基底层5的中心为被反应刻蚀出的沟槽6，刻蚀剂为30％的KOH溶液，85℃下反应2小时能够有效释放沟槽6内的硅晶体。
如图5所示，电桥由R1、R2、R3和R4组成。当惠斯通电桥平衡时，4个电阻的阻值满足关系式：R1/R3＝R2/R4，测点1和测点2处电压值相等，电桥输出电压值V为零。测量电路中，R1、R2在电桥工作过程中阻值保持恒定，R3和R4为薄膜测温电阻22。当管道没有气体流过时，4个电阻的阻值满足电桥平衡关系式。当有气体流过时，薄膜加热电阻21外侧的R3薄膜测温电阻22被气体冷却，其温度降低阻值降低；内侧的R4薄膜测温电阻22被加热，其温度升高阻值提高，1点的电压高于2点的电压，电桥输出电压值V不为零。气体流量不同，R3和R4的阻值变化也不同，电桥输出电压值V也会变化，通过测量电压值V的大小即可测量气体的流量。
如图6所示，由于测量部分由n×n片敏感测量单元组成，整个测量电路需要n×n路惠斯通电桥电路将所有敏感测量单元的信号引出处理，通过n×n通道调理电路对传感器信号进行滤波、放大、调理并进行进一步后续处理。
如图7所示，上述的基于MEMS工艺的集成阵列式薄膜气体流量传感器的加工方法，依次包括以下步骤：
(1)取厚度约为375μm且晶向<100>的双抛型单晶硅放入120℃，(H2SO4：H2O2＝3：1)的清洗液中双面清洗10min，然后分别放入丙酮溶液和异丙酮溶液中，经过超声波清洗15min后去除烘干，去除晶面外的氧化膜和金属污染；
其中，该清洗液为H2SO4与H2O2的混合物，其体积比为(H2SO4：H2O2＝3：1)；
(2)用稀释的HF溶液去除有机杂质和SiO2，低压化学气相沉淀LPCVD生成氮化硅薄膜，反应气体为SiH4与NH3，反应炉内的温度为700℃，压力为0.6托(79.98帕)，6h后双面生长1μm厚的氮化硅膜；
(3)放入400℃的氮气中保存30min，进行退火；
(4)用光刻胶在氮化硅薄膜上定义出n×n片回形或圆形的薄膜加热电阻21外形结构；
(5)利用干法刻蚀技术将暴露的氮化硅整体向下刻蚀出1μm深的沟槽6；
(6)先在氮化硅沟槽6中直流溅射30nm厚的金属Ti，再溅射200μm厚的金属Pt，形成金属薄膜。在两端溅射金属Au，形成电极和信号引线；
(7)利用光刻胶定义出每个测量单元的回形或圆形薄膜加热电阻21两侧的测温电阻22的外形结构，并保护步骤(3)中形成的Pt金属薄膜；
(8)直流溅射技术先溅射30nm厚的金属Ti，再溅射200μm金属Pt，形成金属薄膜。在两端溅射金属Au，形成电极和信号引线；
(9)以3000r/min旋涂光刻胶，保护步骤(6)～(8)步中溅射形成的金属薄膜、电极和信号引线，用掩膜版定义出薄膜四个方向角的方形开口窗3；
(10)用干法刻蚀技术将方形开口窗3中的氮化硅刻蚀干净，刻蚀气体为SF6；
(11)将硅片浸入30％的KOH溶液中，在85℃下反应2小时，悬空隔离层4下的硅被持续腐蚀溶解，直到悬空隔离层4和硅基底完全悬浮；
(12)利用LPVCD技术在集成阵列式金属薄膜上表面沉积300nm厚的氮化硅作为掩蔽层1。

Claims (6)

1.一种基于MEMS工艺的集成阵列式薄膜气体流量传感器，其特征在于：从上到下依次包括薄膜掩蔽层、薄膜电阻结构、薄膜悬空隔离层和硅基底层，所述硅基底层的中央位置中开设有带有反应刻蚀的沟槽，所述薄膜悬空隔离层衬于硅基底层的上方，薄膜悬空隔离层上的四个方位角处均设有一个正方形的开口窗；所述薄膜电阻结构位于薄膜悬空隔离层的外表面，由n×n个相同的敏感测量单元构成并呈集成阵列式的薄膜电阻结构，每个敏感测量单元均由薄膜测温电阻和薄膜加热电阻构成，薄膜加热电阻位于相应敏感测量单元的中心部位并呈回形或圆形分布，薄膜测温电阻沿对应薄膜加热电阻的延展方向分布且位于薄膜加热电阻两侧；所述薄膜掩蔽层位于整个薄膜电阻结构的外表面。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS工艺的集成阵列式薄膜气体流量传感器，其特征在于：所述敏感测量单元有n×n个，n为大于或等于2的正整数。
3.根据权利要求1所述的基于MEMS工艺的集成阵列式薄膜气体流量传感器，其特征在于：所述薄膜悬空隔离层厚度为1～2μm；所述每个敏感测量单元中，薄膜加热电阻的线宽为13～15μm，薄膜测温电阻的线宽为3～5μm，并且薄膜加热电阻和薄膜测温电阻的厚度均为200nm；所述薄膜掩蔽层厚度约为300nm。
4.根据权利要求1所述的基于MEMS工艺的集成阵列式薄膜气体流量传感器，其特征在于：所述薄膜悬空隔离层的制备材料为氮化硅，所述阵列式薄膜电阻结构的制备材料为铂金属，粘结层材料为金属钛；所述薄膜掩蔽层的制备材料为氮化硅。
5.根据权利要求1所述的基于MEMS工艺的集成阵列式薄膜气体流量传感器，其特征在于：所述薄膜悬空隔离层上四个方位角的正方形开口窗，与硅基底体中心内的反应刻蚀沟槽连通。
6.一种根据权利要求1～4任意一项所述的基于MEMS工艺的集成阵列式薄膜气体流量传感器的加工方法，其特征在于：依次包括以下步骤：
(1)取厚度约为375μm且晶向<100>的双抛型单晶硅放入120℃，(H2SO4：H2O2＝3：1)的清洗液中双面清洗10min，然后分别放入丙酮溶液和异丙酮溶液中，经过超声波清洗15min后去除烘干，去除晶面外的氧化膜和金属污染；
其中，该清洗液为H2SO4与H2O2的混合物，其体积比为(H2SO4：H2O2＝3：1)；
(2)用稀释的HF溶液去除有机杂质和SiO2，低压化学气相沉淀LPCVD生成氮化硅薄膜，反应气体为SiH4与NH3，反应炉内的温度为700℃，压力为0.6托(79.98帕)，6h后双面生长1μm厚的氮化硅膜；
(3)放入400℃的氮气中保存30min，进行退火；
(4)用光刻胶在氮化硅薄膜上定义出n×n片回形或圆形的薄膜加热电阻外形结构；
(5)利用干法刻蚀技术将暴露的氮化硅整体向下刻蚀出1μm深的沟槽；
(6)先在氮化硅沟槽中直流溅射30nm厚的金属Ti，再溅射200μm厚的金属Pt，形成金属薄膜，在两端溅射金属Au，形成电极和信号引线；
(7)利用光刻胶定义出每个测量单元的回形或圆形薄膜加热电阻两侧的测温电阻的外形结构，并保护步骤(3)中形成的Pt金属薄膜；
(8)直流溅射技术先溅射30nm厚的金属Ti，再溅射200μm金属Pt，形成金属薄膜。在两端溅射金属Au，形成电极和信号引线；
(9)以3000r/min旋涂光刻胶，保护步骤(6)～(8)步中溅射形成的金属薄膜、电极和信号引线，用掩膜版定义出薄膜四个方向角的方形开口窗；
(10)用干法刻蚀技术将方形开口窗中的氮化硅刻蚀干净，刻蚀气体为SF6；
(11)将硅片浸入30％的KOH溶液中，在85℃下反应2小时，悬空隔离层下的硅被持续腐蚀溶解，直到悬空隔离层和硅基底完全悬浮；
(12)利用LPVCD技术在集成阵列式金属薄膜上表面沉积300nm厚的氮化硅薄膜作为掩蔽层。
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