CN106017587A

CN106017587A - 镂空热膜式流量传感器及其制作集成方法

Info

Publication number: CN106017587A
Application number: CN201610312506.5A
Authority: CN
Inventors: 崔雁红; 王丽君; 蔡琳
Original assignee: Beijing Kai Yuan Sensing Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Kai Yuan Sensing Technology Co Ltd
Priority date: 2016-05-12
Filing date: 2016-05-12
Publication date: 2016-10-12

Abstract

本发明涉及一种镂空热膜式流量传感器及其制作集成方法，镂空热膜式流量传感器包括流量传感器单元和信号控制与处理电路单元，流量传感器单元包括硅衬底、位于该硅衬底上并具有加热电阻及多个测温元件的薄膜结构，连接加热电阻及多个测温元件的各信号引线通过TSV技术引到流量传感器单元的背面，并与信号控制与处理电路单元通过键合的方式集成连接。

Description

镂空热膜式流量传感器及其制作集成方法

技术领域

本发明涉及一种基于 MEMS 技术的镂空热膜式流量传感器及其制作集成方法，属于微细加工领域。

背景技术

流量测量在能源、生物、汽车、航空航天、科研、工业过程控制等领域都有着极为广泛的应用，如能源领域的水、天然气、蒸汽和油品等常用的能源监测，生物技术中血液，尿液等监测；汽车发动机的进气量监测等领域，都使用着数量极其庞大的流量计，它们是能源管理、高效利用、经济核算不可缺少的工具。也是高效利用能源，实现节能降耗，减小环境污染，改进产品质量，提高经济效益和管理水平的重要工具，在国民经济中占有重要的地位。不同应用的流量计，其工作原理也不同，主要工作原理有力学原理、热学原理、声学原理、光学原理等。

热式流量计是在早期热线风速计的基础上发展起来的一种新型流量计，基于热学原理，即 Thomas 提出的“气体的放热量与吸热量与该气体的质量流量成正比”的理论进行工作的，因其具有测量精度高，响应快等优点，目前已广泛应用于航空、航天、能源、医学、汽车工业以及天然气管道运输等行业。热式流量计可分为热线式流量计和热膜式流量计，其主要工作方式有恒温差式和恒流式，通过不同的信号控制与处理电路实现。

由于应用领域的不同，目前市面上常见的热式流量计品种众多，结构繁杂，且不同应用领域的流量传感器的结构设计和封装形式各不相同，不同的工作方式也造成流量传感器的信号控制和处理电路也不同。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种易批量化生产的镂空热膜式流量传感器及其制作集成方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种镂空热膜式流量传感器，它包括流量传感器单元和信号控制与处理电路单元，流量传感器单元包括硅衬底、位于该硅衬底上并具有加热电阻及多个测温元件的薄膜结构，硅衬底具有绝热空腔，薄膜结构的位于该绝热空腔上方的部分被定义为热膜，连接加热电阻及多个测温元件的各信号引线通过 TSV 技术引到流量传感器单元的背面，并与信号控制与处理电路单元通过键合的方式集成连接。

进一步地，多个测温元件包括设置在流量传感器单元边缘的用于检测流入到热膜上流体的初始温度的至少一个第一测温元件、分布在加热电阻两侧的用于分别检测流体流经加热电阻之前和之后的温度的至少两个第二测温元件。

更进一步地，加热电阻和第二测温元件位于绝热空腔的上方。

更进一步地，多个测温元件还包括设置在加热电阻和第二测温元件之间的用于实时检测热膜温度的至少一个第三测温元件。

进一步地，加热电阻及多个测温元件的长度方向均垂直于流体流向设置。

进一步地，热膜包括第一层介质薄膜、上述的加热电阻和多个测温元件、第二层介质薄膜、上述信号引线、钝化层。

进一步地，测温元件为热敏电阻、热电偶或 PN 结。

进一步地，硅衬底具有多个 TSV 孔， TSV 孔内具有导电的填充材料，信号引线的一端与加热电阻或一个测温元件相连接，另一端与一个 TSV 孔内的填充材料相连接，信号控制与处理电路单元的对应处与 TSV 孔内的填充材料键合连接。

本发明还提供了一种上述镂空热膜式流量传感器的制作集成方法，包括以下步骤：

a. 在硅衬底的正面上生长第一层介质薄膜；

b. 在生长有第一层介质薄膜的硅衬底上利用 TSV 技术加工多个 TSV 孔，并进行填充回刻；

c. 在第一层介质薄膜上制作加热电阻和多个测温元件；

d. 生长第二层介质薄膜，并图形化，在对应 TSV 孔的位置形成引线孔；

e. 生长引线层薄膜，并图形化，形成多个信号引线，每个信号引线一端连接加热电阻的端部或一个测温元件的端部，另一端连接一个 TSV 孔内的填充材料；

f. 生长钝化层；

g. 对硅衬底背面进行减薄、抛光，直至露出 TSV 孔，然后对硅衬底的背面进行腐蚀掩壁层淀积；

h. 图形化腐蚀掩壁层，露出 TSV 孔以及部分硅衬底，并对硅衬底的露出部位进行腐蚀形成绝热空腔；

i. 在信号控制与处理电路单元的对应处进行键合焊料的生长，并图形化，然后将键合焊料与 TSV 孔键合集成。

进一步地，步骤 b 中，填充回刻指：对 TSV 孔完全填充，然后对 TSV 孔内对应第一层介质薄膜处的填充材料回刻去除。

由于采用了上述技术方案，本发明镂空热膜式流量传感器及其制作集成方法，具有如下优点：

1. 流量传感器均使用微细加工技术进行加工，因此其整体体积小，易于批量化生产，成本低；

2. 电路和传感芯片采用微细加工进行生产和集成，因此其重复性好，测量精度高，一致性好，稳定性强，响应时间短；

3. 将信号线从背面连接的设计，消除了传统的正面焊点对流体的影响，更易拓展为多方向的流量测量；

4. 通过将该集成流量传感器结构封装到不同的流量通道中，可实现不同领域的流量测量的应用，应用范围广。

附图说明

附图 1 为本实施例中镂空热膜式流量传感器的立体结构示意图；

附图 2 为附图 1 中的 AA ’剖面结构示意图；

附图 3 为本实施例中镂空热膜式流量传感器的制作集成方法的步骤 a 的结构示意图；

附图 4 为本实施例中镂空热膜式流量传感器的制作集成方法的步骤 b 中加工 TSV 孔的结构示意图；

附图 5 为本实施例中镂空热膜式流量传感器的制作集成方法的步骤 b 中填充回刻的结构示意图；

附图 6 为本实施例中镂空热膜式流量传感器的制作集成方法的步骤 c 的结构示意图；

附图 7 为本实施例中镂空热膜式流量传感器的制作集成方法的步骤 d 的结构示意图；

附图 8 为本实施例中镂空热膜式流量传感器的制作集成方法的步骤 e 的结构示意图；

附图 9 为本实施例中镂空热膜式流量传感器的制作集成方法的步骤 f 的结构示意图；

附图 10 为本实施例中镂空热膜式流量传感器的制作集成方法的步骤 g 的结构示意图；

附图 11 为本实施例中镂空热膜式流量传感器的制作集成方法的步骤 h 的结构示意图；

附图 12 为本实施例中镂空热膜式流量传感器的制作集成方法的步骤 i 中焊料生长的结构示意图；

附图 13 为本实施例中镂空热膜式流量传感器的制作集成方法的步骤 i 键合集成的结构示意图。

图中标号为：

1 、流量传感器单元； 11 、硅衬底； 111 、绝热空腔； 12 、第一层介质薄膜； 13 、 TSV 孔； 14 、填充材料； 150 、加热电阻； 151 、第一测温元件； 152 、第二测温元件； 16 、第二层介质薄膜； 161 、引线孔； 17 、信号引线； 18 、钝化层； 19 、腐蚀掩壁层；

2 、信号控制与处理电路单元； 21 、一钝化层；

3 、键合焊料。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。

参见附图 1 至附图 2 ，本实施例中的镂空热膜式流量传感器，它包括流量传感器单元 1 和信号控制与处理电路单元 2 ，流量传感器单元 1 包括硅衬底 11 、位于该硅衬底 11 上并具有加热电阻 150 及多个测温元件的薄膜结构，硅衬底 11 具有绝热空腔 111 ，薄膜结构的位于该绝热空腔 111 上方的部分被定义为热膜，连接加热电阻 150 及多个测温元件的各信号引线 17 通过 TSV 技术引到流量传感器单元 1 的背面，并与信号控制与处理电路单元 2 通过键合的方式集成连接。

上述的多个测温元件包括设置在流量传感器单元 1 边缘的至少一个第一测温元件 151 ，用于检测流入到热膜上流体的初始温度。如附图 1 所示的本实施例中，第一测温元件 151 有两个，分别设置在流量传感器单元 1 的相对的两个边缘处（以下称为左边缘和右边缘），当流体从左边缘流入时，则位于流量传感器单元 1 左边缘的第一测温元件 151 工作，当流体从右边缘流入时，则位于流量传感器单元 1 右边缘的第一测温元件 151 工作。

优选地，加热电阻 150 及多个测温元件的长度方向均垂直于流体流向设置。测温元件为热敏电阻、热电偶或 PN 结。热敏电阻材料优选为 Ti 、 Pt 、 Ni 、 Cr 中的一种，或其中几种组成的复合材料，还可以为掺杂非晶硅、单晶硅、多晶硅、氧化钒中的一种，或其中几种的复合材料；热电偶材料优选为 P-Si/n-Si 或 Si/Al 。

多个测温元件还包括分布在加热电阻 150 两侧的至少两个第二测温元件 152 ，用于分别检测流体流经加热电阻 150 之前和之后的。如附图 1 所示的本实施例中，第二测温元件 152 有两个，分别设置在加热电阻 150 的左右两侧，分别命名为左测温元件和右测温元件。

上述的绝热空腔 111 位于硅衬底 11 的中央部位，加热电阻 150 和第二测温元件 152 位于该绝热空腔 111 的上方，即加热电阻 150 和第二测温元件 152 属于热膜的一部分，而第一测温元件 151 则位于硅衬底 11 的除绝热空腔 111 以外之部分的上方。

优选地，多个测温元件还包括设置在加热电阻 150 和第二测温元件 152 之间的至少一个第三测温元件（附图中未画出），用于实时检测热膜温度。

薄膜结构包括第一层介质薄膜 12 、加热电阻 150 和多个测温元件、第二层介质薄膜 16 、信号引线 17 、钝化层 18 。第一层介质薄膜 12 厚度为 0.5 μ m ～ 2 μ m ，材料优选为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，还可以为氧化硅与氮化硅复合膜；第二层介质薄膜 16 厚度为 0.2 μ m ～ 1 μ m ，材料优选为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，还可以为氧化硅与氮化硅复合膜；信号引线 17 材料优选 Al 、 Ti 、 Pt 、 TiN 、 W 等金属材料及其合金或掺杂非晶硅、锗等低阻半导体材料；钝化层 18 厚度为 0.5 μ m ～ 1.5 μ m ，材料优选为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，还可以为氧化硅与氮化硅复合膜。

硅衬底 11 具有多个 TSV 孔 13 ，该 TSV 孔 13 设置在绝热空腔 111 的两侧， TSV 孔 13 内具有导电的填充材料 14 ，孔深优选为 250 μ m ～ 500 μ m ，填充材料 14 优选为 Ti 、 TiN 、 Al 、 Au 、 Cu 、 W 、低阻硅、锗等导电材料，此处只给出一种 TSV 的加工方法作为示意例，也包括其他形成所述 TSV 结构的方法，如直接利用低阻硅片进行传感器单元制作，低阻硅衬底直接作为 TSV 孔的引线填充材料。信号引线 17 的一端与加热电阻 150 或一个测温元件相连接，另一端与一个 TSV 孔 13 内的填充材料 14 相连接，信号控制与处理电路单元 2 的对应处与 TSV 孔 13 内的填充材料 14 键合连接。

优选地，信号控制与处理电路单元 2 上也具有一钝化层 21 。

本镂空热膜式流量传感器的工作原理为：通过信号控制与处理电路单元 2 进行控制，使得热膜的温度始终高于进入传感器结构单元 1 的被测流体的温度，且温差始终保持恒定值。加热电阻 150 左右对称分布第二测温元件 151 ，形成惠斯通电桥，用于测量流体的质量流量。当流体经过时，位于加热电阻 150 上游的第二测温元件 151 （根据流体的流向，为左测温元件和右测温元件中的一个），由于流体温度小于热膜温度，上游的第二测温元件 151 的部分热量被流体带走，造成该第二测温元件 151 处的温度降低，对于正温度系数的第二测温元件 151 ，其阻值降低；而位于加热电阻下游的第二测温元件 151 （根据流体的流向，为左测温元件和右测温元件中的另一个），由于流体经过加热电阻 150 实现了加热，当其经过下游的第二测温元件 151 处时，进行热交换，使得下游第二测温元件 151 被加热而温度升高，同样对于正温度系数的第二测温元件 151 ，其阻值增大，通过信号控制与处理电路单元 2 检测上下游第二测温元件 151 的减小和增大量，从而实现了经过传感器单元的流体的流量测量。

参照附图 3 至附图 13 ，一种上述镂空热膜式流量传感器的制作集成方法，并采用的上文所述的材料制作相应的部件，相应部件的厚度和深度等尺寸按照上文所示的对应尺寸制作，该制作集成方法包括以下步骤：

a. 在硅衬底 11 的正面上生长第一层介质薄膜 12 ，如附图 3 所示；

b. 在生长有第一层介质薄膜 12 的硅衬底上利用 TSV 技术加工多个 TSV 孔 13 ，并进行填充回刻，如附图 4 和附图 5 所示，所述的填充回刻指：对 TSV 孔 13 完全填充，然后对 TSV 孔内对应第一层介质薄膜 12 处的填充材料回刻去除；本实施例中， TSV 孔 13 为盲孔，其下端不穿透硅衬底 11 的下表面；

c. 在第一层介质薄膜 12 上制作加热电阻 150 和多个测温元件，如附图 6 所示；

d. 生长第二层介质薄膜 16 ，并图形化，在对应 TSV 孔 13 的位置形成引线孔 161 ，如附图 7 所示；

e. 生长引线层薄膜，并图形化，形成多个信号引线 17 ，如附图 8 所示，每个信号引线 17 一端连接加热电阻 150 的端部或一个测温元件的端部，另一端连接一个 TSV 孔 13 内的填充材料 14 ，生长引线层薄膜所采用材料即为上文所述的信号引线 17 的材料；

f. 生长钝化层 18 ，如附图 9 所示；

g. 对硅衬底 11 背面进行减薄、抛光，直至露出 TSV 孔 13 ，如附图 10 所示，然后对硅衬底 11 的背面进行腐蚀掩壁层 19 淀积，如附图 10 所示，腐蚀掩壁层 19 材料优选为抗腐蚀 PECVD-SiN 、 SiO 等介质材料；

h. 图形化腐蚀掩壁层 19 ，露出 TSV 孔 13 以及部分硅衬底 11 ，并对硅衬底 11 的露出部位进行腐蚀形成绝热空腔 111 ，如附图 11 所示；

i. 在信号控制与处理电路单元 2 的对应处进行键合焊料 3 的生长，并图形化，如附图 12 所示，键合焊料 3 材料优选为 Al 、 Ge 、 Au 、 Sn 、 In 等低温键合材料，高度为 0.5 μ m ～ 30 μ m ；然后将键合焊料 3 与 TSV 孔 13 键合形成集成镂空热膜式流量传感器，如附图 13 所示。

本镂空热膜式流量传感器及其制作集成方法，具有如下优点：

以上结合实施方式对本发明做了详细说明，只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限定本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种镂空热膜式流量传感器，其特征在于：它包括流量传感器单元（1）和信号控制与处理电路单元（2），所述的流量传感器单元（1）包括硅衬底（11）、位于该硅衬底（11）上并具有加热电阻（150）及多个测温元件的薄膜结构，所述的硅衬底（11）具有绝热空腔（111），所述薄膜结构的位于该绝热空腔（111）上方的部分被定义为热膜，连接所述加热电阻（150）及多个测温元件的各信号引线（17）通过TSV技术引到所述流量传感器单元（1）的背面，并与所述信号控制与处理电路单元（2）通过键合的方式集成连接。

2.根据权利要求1所述的镂空热膜式流量传感器，其特征在于：所述的多个测温元件包括设置在流量传感器单元（1）边缘的用于检测流入到热膜上流体的初始温度的至少一个第一测温元件（151）、分布在所述加热电阻（150）两侧用于分别检测流体流经加热电阻（150）之前和之后的温度的至少两个第二测温元件（152）。

3.根据权利要求2所述的镂空热膜式流量传感器，其特征在于：所述的加热电阻（150）和第二测温元件（152）位于所述绝热空腔（111）的上方。

4.根据权利要求2所述的镂空热膜式流量传感器，其特征在于：所述的多个测温元件还包括设置在所述加热电阻（150）和所述第二测温元件（152）之间的用于实时检测热膜温度的至少一个第三测温元件。

5.根据权利要求1所述的镂空热膜式流量传感器，其特征在于：所述的加热电阻（150）及多个测温元件的长度方向均垂直于流体流向设置。

6.根据权利要求1所述的镂空热膜式流量传感器，其特征在于：所述的薄膜结构包括第一层介质薄膜（12）、所述加热电阻（150）和多个测温元件、第二层介质薄膜（16）、所述信号引线（17）、钝化层（18）。

7.根据权利要求1所述的镂空热膜式流量传感器，其特征在于：所述的测温元件为热敏电阻、热电偶或PN结。

8.根据权利要求1所述的镂空热膜式流量传感器，其特征在于：所述的硅衬底（11）具有多个TSV孔（13），TSV孔（13）内具有导电的填充材料（14），所述的信号引线（17）的一端与加热电阻（150）或一个测温元件相连接，另一端与一个TSV孔（13）内的填充材料（14）相连接，所述信号控制与处理电路单元的对应处与TSV孔（13）内的填充材料（14）键合连接。

9.一种权利要求1-8中任一项所述的镂空热膜式流量传感器的制作集成方法，包括以下步骤：

a.在硅衬底（11）的正面上生长第一层介质薄膜（12）；

b. 在生长有第一层介质薄膜（12）的硅衬底上利用TSV技术加工多个TSV孔（13），并进行填充回刻；

c.在所述第一层介质薄膜（12）上制作加热电阻（150）和多个测温元件；

d.生长第二层介质薄膜（16），并图形化，在对应所述TSV孔（13）的位置形成引线孔（161）；

e.生长引线层薄膜，并图形化，形成多个信号引线（17），每个所述信号引线（17）一端连接加热电阻（150）的端部或一个测温元件的端部，另一端连接一个TSV孔（13）内的填充材料（14）；

f.生长钝化层（18）；

g.对硅衬底（11）背面进行减薄、抛光，直至露出TSV孔（13），然后对硅衬底（11）的背面进行腐蚀掩壁层（19）淀积；

h.图形化所述腐蚀掩壁层（19），露出TSV孔（13）以及部分硅衬底（11），并对硅衬底（11）的露出部位进行腐蚀形成绝热空腔（111）；

i.在信号控制与处理电路单元（2）的对应处进行键合焊料（3）的生长，并图形化，然后将键合焊料（3）与TSV孔（13）键合形成集成镂空热膜式流量传感器。

10.根据权利要求9所述的镂空热膜式流量传感器的制作集成方法，其特征在于：所述的步骤b中，所述的填充回刻指：对TSV孔（13）完全填充，然后对TSV孔内对应第一层介质薄膜（12）处的填充材料回刻去除。