CN107655534A - 空气流量传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空气流量传感器及其制造方法。其中，所述空气流量传感器包括：半导体衬底；在所述半导体衬底上面设有隔热的绝缘层；在所述绝缘层上依次设有环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻；分别与所述环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻独立连接的多个端子电极；其中，将所述半导体衬底对应所述上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻的区域作为空气流量测量区，所述半导体衬底对应所述流量测量区的底部具有空腔，在所述空腔内设有支撑结构。本发明不仅解决了在恶劣环境下，空气流量传感器受外界颠簸而易损坏的问题，还解决了现有空气流量传感器的测量范围和精度无法匹配汽车设计需要的问题。

Description

空气流量传感器及其制造方法

技术领域

本发明实施例涉及半导体技术，尤其涉及一种空气流量传感器及其制造方法。

背景技术

空气流量计是将吸入的空气流量转换成电信号的器具。空气流量计的工作原理是通过测量空气流经发热电阻所产生的发热电阻周围空气的温度差，并按照预设的温度差与空气流量的对应关系，确定当前的流入的空气量。在空气流量计中包含用于测量温度差的空气流量传感器和计算电路。

在汽车等内燃机的电子控制系统中，空气流量传感器用于提供帮助计算流入空气量的温度差。由于汽车使用环境较为恶劣，车辆的震动等机械干扰易导致空气流量传感器中的测量电路被震坏。为此，目前空气流量传感器中测量电路通常较短。较短的测量电路使得量程和精度都受限。

因此，需要对现有技术进行改进。

发明内容

本发明提供一种空气流量传感器及其制造方法，以解决现有技术中测量电路的精度与环境适应能力不可兼得的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种空气流量传感器，包括：半导体衬底；在所述半导体衬底上面设有隔热的绝缘层；在所述绝缘层上依次设有环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻；分别与所述环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻独立连接的多个端子电极；其中，将所述半导体衬底对应所述上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻的区域作为流量测量区，所述半导体衬底对应所述流量测量区的底部具有空腔，在所述空腔内设有支撑结构。

第二方面，本发明实施例还提供了一种空气流量传感器的制造方法，包括：在半导体衬底的上面生长第一绝缘层；在所述第一绝缘层上形成图案化的第一金属层，环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻，以及分别与所述环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻单独连接的端子电极由图案化后的第一金属层构成；将所述半导体衬底下面对应所述上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻的区域进行图案化的镂空，以得到流量测量区，其中，所得到的腔体具有支撑结构。

本发明通过在流量测量区的边缘设置支撑结构，能够有效增加流量测量区的面积，进而使得位于流量测量区的上下游测温电阻能够测得更为准确的温度差。本实施例不仅解决了在恶劣环境下，空气流量传感器受外界颠簸而易损坏的问题，还解决了现有空气流量传感器的测量范围和精度无法匹配汽车设计需要的问题。

附图说明

图1是本发明实施例一中的空气流量传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例二中的空气流量传感器在A-20的横截面结构示意图；

图3是本发明实施例三中的空气流量传感器在A-30的横截面结构示意图；

图4是本发明实施例三中的空气流量传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

需要说明的是，本发明各实施例中所述的上方向为沿纸面指向页眉方向，下方向为沿纸面指向页脚方向，左方向为用户面对纸面时的左侧方向，右方向为用户面对纸面时的右侧方向，前方向为垂直纸面指向用户方向，后方向为垂直纸面背对用户方向。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的空气流量传感器的结构示意图，本实施例可适用于汽车的电子控制系统，所述电子控制系统利用所述传感器所提供的温度差来确定当前的空气流量的情况。所述空气流量传感器具体包括：半导体衬底11、绝缘层12、环境空气测温电阻18、上游测温电阻17、发热电阻16和下游测温电阻14、对应各电阻的端子电极13。

所述半导体衬底11为所述传感器的基底，其举例为单晶硅材料，其厚度在[300,500]μm。在所述半导体衬底11上生长隔热的绝缘层12。所述绝缘层12举例但不限制为：氧化硅、氮化硅等。为了提高隔热效果，所述绝缘层12优选为氧化硅。所述绝缘层12的厚度在[1,2]μm。

设置在所述绝缘层12上的环境空气测温电阻18、上游测温电阻17、发热电阻16和下游测温电阻14，以及各自对应的端子电极13将所述绝缘层12分为测量区域和布线区域。其中，在测量区域内，从空气的流入口至流出口依次排列环境空气测温电阻18、上游测温电阻17、发热电阻16和下游测温电阻14。其中，为了提高测量精度，各电阻采用蛇形弯折结构以提高阻值，弯折的相邻平行线之间互相绝缘。环境空气测温电阻18与上游测温电阻17之间的间隔大于上游测温电阻17与发热电阻16之间的间隔。其中，构成各电阻的金属层厚度在[100,200]nm之间，各电阻的排线宽度在[10,30]μm之间。

其中，所述环境空气测温电阻18用于测量当前流入的空气的原始温度。

所述发热电阻16受外部控制电路的控制，用于产生加热流入空气所需的热量。

所述上游测温电阻17用于测量空气流经发热电阻16前，被发热电阻16加热的第一温度。

所述下游测温电阻14用于测量空气流经发热电阻16后，被发热电阻16加热的第二温度。

其中，第一温度与第二温度的温度差为所述外部控制电路所要测量的值。

如图1所示，在各电阻的右方(或左方)，设有单独连接各电阻的端子电极13。各端子电极13集中在布线区域。具体地，每个端子电极13单独连接环境空气测温电阻18、上游测温电阻17、发热电阻16、或下游测温电阻14。为了便于与导线连接，各端子电极13为平铺在绝缘层12上的金属片。所述端子电极13用于将所连接的电阻所感应的温度电信号传递给所述外部控制电路。其中，所述外部控制电路举例包括：放大电路、空气流量计算电路等。

其中，所述端子电极13与各电阻均为第一金属材料。所述第一金属材料选用热敏的金属或合金。举例为金属铂(Pt)材料。

为了防止半导体衬底11对温度的热传导所带来的测量准确度下降的问题，将所述半导体衬底对应所述上游测温电阻17、发热电阻16和下游测温电阻14的区域作为流量测量区15，所述半导体衬底对应所述流量测量区15的底部具有空腔，在所述空腔内设有支撑结构151。所述环境空气测温电阻18下方的半导体衬底11可予以保留。为了让上游测温电阻17、发热电阻16和下游测温电阻14的阻值变化明显，本申请可采用延长构成各电阻上的金属丝每段弯折长度的方式，或者增加构成各电阻上的金属丝弯折次数的方式。无论哪种方式都会导致流量测量区15过大、过薄所带来的震动受损问题。故而，为了防止上述易受损问题，所述支撑结构151位于所述空腔沿空气流向的至少一个边缘处。若所述支撑结构151为两个，可对称而设。例如，所述支撑结构为对称设置在空腔边缘的支撑凸块。或者，所述支撑结构151沿空气流向横跨所述空腔。例如，所述支撑结构为横跨空腔的支撑梁，所述支撑梁将空腔分为两部分。所述支撑结构151为在对所述半导体衬底11进行腔体刻蚀时被保留的部分。

所述上游测温电阻17、发热电阻16、和下游测温电阻14位于支撑结构151之间。例如，所述支撑结构151对称的设置于各沿空气流向的空腔边缘处，上游测温电阻17和下游测温电阻14分别与相邻的支撑结构151之间的最小距离在100μm以上，以便减少支撑结构151的热传导损失。

本实施例的技术方案，通过在流量测量区的边缘设置支撑结构，增强测量区域的结构强度，并有效增加流量测量区的面积，进而使得位于流量测量区的上下游测温电阻能够测得更为准确的温度差。本实施例不仅解决了在恶劣环境下，空气流量传感器受外界颠簸而易损坏的问题，还解决了现有空气流量传感器的测量范围和精度无法匹配汽车设计需要的问题。

实施例二

图2为本发明在实施例一基础上完善的空气流量传感器在A-20的横截面结构示意图，本实施例在上述各实施例的基础上，优选是：所述上游测温电阻27、发热电阻26和下游测温电阻25中受支撑结构21散热影响的部分，覆盖有导电率高于所述第一金属241的第二金属242。其中，所述第二金属242可以为导电率高于第一金属241的金属或合金，其举例为CrAu。第二金属242的厚度在[200,400]nm。

例如，位于各支撑结构旁边的上游测温电阻27、发热电阻26和下游测温电阻25部分，覆盖有所述第二金属242。

若所述支撑结构21对称而设，则在两支撑结构21之间的上游测温电阻27、发热电阻26和下游测温电阻25部分覆盖有所述第二金属242。环境空气测温电阻28上无第二金属242。

一种可选方案为，各所述端子电极(未予图示)由下至上依次由所述第一金属材料和第二金属材料构成。

具体地，在制造时，可采用光刻方式将预设的受支撑结构散热影响及各端子电极位置上的第二金属予以保留，其余部分予以去除。

本实施例的技术方案，利用导电率更高的第二金属来“短路”支撑结构附近的环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻部分，能够有效解决因为支撑结构的存在，导致该局部区域的散热对测量的影响。

另外，将各端子电极上覆盖第二金属242，也能够降低半导体衬底散热对测量的影响。

为了防止第一金属及第二金属受外界静电荷、灰尘、水汽等的干扰，在所有电阻上还覆盖有绝缘防护层22。所述绝缘防护层22可与绝缘层采用相同材料，也可以为不同材料。所述绝缘防护层22的厚度举例为100nm。所述绝缘防护层22的材料举例为氮化硅。

实施例三

图3为本发明在上述各实施例的基础上完善的空气流量传感器在A-30的横截面结构示意图，本实施例在上述各实施例的基础上，优选为：在所述流量测量区31的内侧边缘设有贯通所述绝缘层的隔热凹槽32，其中，如图4所示，所述隔热凹槽32被支撑结构341间隔成两段。例如，在所述流量测量区31的平行于所述上游测温电阻33、发热电阻34和下游测温电阻35的两边缘均设有贯通所述绝缘层36的隔热凹槽32；所述上游测温电阻33、发热电阻34和下游测温电阻35位于两侧的隔热凹槽32之间。其中，若所述支撑结构341对称设置于所述隔热凹槽所在的两边缘，每个隔热凹槽32均被相应的支撑结构341所间隔开来。

本实施例在流量测量区靠近边缘处设置贯通了绝缘层的隔热凹槽，实现了从多方向有效减少快速散热，极大地提高了温度检测的准确度。另外，每个隔热凹槽均被相应的支撑结构所间隔开来，避免了结构强度的降低。

实施例四

本实施例适用于制造空气流量传感器。所述空气流量传感器用于汽车的电子控制系统。所述电子控制系统利用所述传感器所提供的温度差来确定当前的空气流量，进而根据空气流量来反控制该传感器，以便根据当前室外温度来调整内燃机所需要的空气量的情况。

本实施例包含以下步骤(均未予图示)：

S110、在半导体衬底的上面生长第一绝缘层。

在此，所述半导体衬底为整个传感器的基底，其举例为单晶硅材料。在所述半导体衬底上生长隔热的第一绝缘层。其中，所述第一绝缘层可采用氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。

S120、在所述第一绝缘层上形成图案化的第一金属层，环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻，以及分别与所述环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻单独连接的端子电极由图案化后的第一金属层构成。

在此，预设的对应环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻、下游测温电阻、和分别与上述各电阻单独连接的端子电极的图案模板将所述第一绝缘层分成测量区域和布线区域，并按照各电阻的蛇形弯折结构在测量区域设置各电阻图案，按照各端子电极的形状在布线区域设置各端子电极的图案。其中，图案化后的第一金属上的各电阻对应连接各端子电极。本实施例中，在测量区域内包括环境测量区和流量测量区。图案化后的第一金属所构成的环境空气测温电阻位于所述环境测量区内，图案化后的第一金属所构成的上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻均位于所述流量测量区内。

S130、将所述流量测量区下面对应的所述半导体衬底进行腔体刻蚀，其中，所得到的腔体具有支撑结构，该支撑结构为未刻蚀掉的半导体衬底。

本实施例的技术方案，通过在流量测量区的边缘设置支撑结构，能够有效增加流量测量区的面积，进而使得位于流量测量区的上下游测温电阻能够测得更为准确的温度差。本实施例不仅解决了在恶劣环境下，空气流量传感器受外界颠簸而易损坏的问题，还解决了现有空气流量传感器的测量范围和精度无法匹配汽车设计需要的问题。

按照上述制造方法可得到本发明任意实施例所提供的空气流量传感器，具备相应的结构所带来的有益效果。

实施例五

本实施例可以以上述实施例为基础，在步骤S130之前，执行以下至少一步骤S140、S150、和S160。若执行其中多个步骤，则需按照步骤标号顺序予以执行。例如，本实施例的执行步骤依次包括：S110、S120、S140、S130；或者，依次为：S110、S120、S140、S150、S130；或者，依次为：S110、S120、S140、S150、S160、S130。

S140、在受所述支撑结构散热影响的上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻部分、以及各端子电极部分覆盖第二金属层，其中，第二金属层的导电率高于第一金属层。

在此，由于支撑结构采用半导体(单晶硅)材料，支撑结构处的散热速度快于流量测量区中的其他区域。为了降低支撑结构对测量准确度的影响，本实施例在上述区域覆盖第二金属层。所述第二金属层采用导电率高于第一金属层的金属或合金材料。例如，所述第二金属层采用CrAu。所述第二金属层的厚度在[200,400]nm。如此，上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻在受支撑结构散热影响的部分将被“短路”，有效减少了热敏电阻受支撑结构散热的影响。此外，在端子电极上覆盖第二金属，能够有效减少第一金属材料的端子电极的电阻对整个测量的干扰。

例如，位于各支撑结构旁边的上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻部分，覆盖有所述第二金属。

若所述支撑结构对称而设，则在两支撑结构之间的上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻部分覆盖有所述第二金属。

S150、在所述环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻上生长第二绝缘层，以作为绝缘防护层。

本步骤的目的在于防止电阻受外界灰尘、浮游离子、水汽等的干扰。所述第二绝缘层的材料可与第一绝缘层相同，也可以不同，以作为对外界的绝缘防护。所述第二绝缘层的厚度举例在100nm。所述第二绝缘层的材料举例为氮化硅。同时，还需将各端子电极处的第二绝缘层予以去除，以便各端子电极与外部引线焊接。

S160、在流量测量区内靠近边缘处，刻蚀贯通所述第一绝缘层或贯通所述第一绝缘层和第二绝缘层的隔热凹槽，其中，所述隔热凹槽被支撑结构分割。

本步骤中，为了全方位地减少固体传热对测量的影响，在流量测量区内靠近边缘处，按照预设的隔热凹槽的尺寸和形状，将第一绝缘层、或将第二绝缘层和第一绝缘层进行刻蚀。由于流量测量区还设有支撑结构，相应边的隔热凹槽被支撑结构分割成两段。

需要说明的是，上述各实施例中所提到的尺寸及尺寸范围的精度并非一定限制在1μm，所述精度还可以在[0.1,0.9]μm之间。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (11)

1.一种空气流量传感器，其特征在于，包括：

半导体衬底；

在所述半导体衬底上面设有隔热的绝缘层；

在所述隔热绝缘层上依次设有环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻；

分别与所述环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻独立连接的多个端子电极；

其中，将所述半导体衬底对应所述上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻的区域作为流量测量区，所述半导体衬底对应所述流量测量区的底部具有空腔，在所述空腔内设有支撑结构。

2.根据权利要求1所述的空气流量传感器，其特征在于，所述环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻、和下游测温电阻均为蛇形弯折结构。

3.根据权利要求1所述的空气流量传感器，其特征在于，所述支撑结构位于所述空腔沿空气流向的至少一个边缘处、或沿空气流向横跨所述空腔。

4.根据权利要求1所述的空气流量传感器，其特征在于，所述环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻、下游测温电阻和各端子电极为第一金属材料；

所述上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻中受支撑结构散热影响的部分，覆盖有导电率高于所述第一金属的第二金属。

5.根据权利要求4所述的空气流量传感器，其特征在于，各所述端子电极的第一金属层上还覆有所述第二金属。

6.根据权利要求1所述的空气流量传感器，其特征在于，在所述环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻上均覆盖绝缘防护层。

7.根据权利要求1或6所述的空气流量传感器，其特征在于，还包括：在所述流量测量区的内侧边缘两侧设有贯通各绝缘层的隔热凹槽，其中，所述隔热凹槽被支撑结构间隔成两段。

8.一种空气流量传感器的制造方法，其特征在于，包括：

在半导体衬底的上面生长第一绝缘层；

在所述第一绝缘层上形成图案化的第一金属层，图案化后的第一金属层形成环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻，以及分别与所述环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻单独连接的端子电极；

将所述半导体衬底下面对应由所述上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻所形成的流量测量区进行腔体刻蚀，其中，所得到的腔体具有支撑结构。

9.根据权利要求8所述的空气流量传感器的制造方法，其特征在于，在将所述半导体衬底下面对应由所述上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻所形成的流量测量区进行腔体刻蚀之前，还包括：

在受所述支撑结构散热影响的上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻部分、以及各端子电极上覆盖第二金属层，其中，第二金属层的导电率高于第一金属层。

10.根据权利要求8所述的空气流量传感器的制造方法，其特征在于，在将所述半导体衬底下面对应所述上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻的区域进行腔体刻蚀之前，还包括：

在所述环境空气测温电阻、上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻上生长第二绝缘层，以作为绝缘防护层。

11.根据权利要求8或10所述的空气流量传感器的制造方法，其特征在于，在将所述半导体衬底下面对应所述上游测温电阻、发热电阻和下游测温电阻的区域进行腔体刻蚀之前，还包括：

在流量测量区内靠近边缘处，刻蚀贯通各绝缘层的隔热凹槽，其中，所述隔热凹槽被支撑结构间隔成两段。