CN108254031B - 压差式气体微流量传感器及其制作方法 - Google Patents

压差式气体微流量传感器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种压差式气体微流量传感器，包括一单晶硅基片及集成于该单晶硅基片同一面上的一个气体微沟道及两个压力传感器；气体微沟道沿<211>晶向埋设于单晶硅基片内，由文丘里沟道段和连接在文丘里沟道段两端的匀速沟道段组成，文丘里沟道段由喉道和分别位于喉道两端的收缩段和扩散段组成，气体微沟道的两端设有气体出/入口；两个压力传感器分别通过取压通道与匀速沟道段和喉道连接。与现有技术相比，本发明将传统宏观的文丘里管引入到硅基MEMS微流量传感器领域，实现了微流量气体的快速、准确的检测和芯片小尺寸、低成本和便捷式封装等特点，具有广泛应用前景。

Description

压差式气体微流量传感器及其制作方法
技术领域
本发明属于硅微机械传感器技术领域，涉及一种压差式气体微流量传感器及其制作方法。
背景技术
近年来，随着微电子技术和MEMS制作技术的快速发展为硅基气体流量传感器的发展提供了有利条件。自从Vanputten和Middelhoek在1974年首次利用标准硅工艺制作出硅微流量传感器之后，硅流量传感器制作技术已取得了巨大的进步，在水质检测、大气监测、生命科学、航空航天、生物化学以及制药等领域得到广泛应用。
当前，气体微流量传感器主要采用热温差式(或热电堆式)来检测气体流量。这种气体流量检测方式虽然可以实现对大多数气体的流量检测，但是也存在如下不足：(1)对于那些带有活性生物体的气体流量测试无能为力，因为气体流量传感器中加热电阻所产生的热量足以导致活性生物体死完；(2)热式气体流量传感器存在功耗大和热量耗散问题，为了解决这些问题使得传感器制备工艺异常复杂，成本增加；此外(3)热式气体流量传感器还需要考虑温度补偿问题，进而增加后续处理电路的难度。2011年北京大学张大成教授等研制出一款基于压阻式压力流量传感器[Dan Li,Ting Li,and Dacheng Zhang,A monolithicpiezoresistive pressure-flow sensor with integrated signal-conditioningcircuit,IEEE Sensors Journal,Vol.11,No.9,2011]，该传感器采用传统体硅微机械加工工艺制作。首先，通过硅片背面对准光刻，然后KOH从背面减薄单晶硅至压力敏感薄膜厚度；然后，再通过硅片正面硅深度反应离子刻蚀技术将压力敏感薄膜分成四块并在每一块敏感薄膜根部制作一个压敏电阻。这种气体流量传感器虽然可以实现对任何气体的流量检测，但是其结构方式存在如下不足：(1)由单晶硅各向异性腐蚀特性可知，从硅片背部大面积减薄单晶硅存在腐蚀时间长、压力敏感薄膜厚度均匀性不易控制以及传感器芯片尺寸大等不足；(2)这种传感器结构决定了其后续封装复杂，且不易于与微流体系统集成封装。
目前，文献上报道的硅基压差式气体微流量传感器主要用在对液体流速的测量，原因在于液体流阻比较大，当液体通过微流体沟道时由于流阻的存在导致压力在微流体沟道中消耗很大，因此便于实现压差式流量检测。而气体作为一种可压缩的物质，它在微流体沟道中的压力损耗非常小，难以通过检测微弱压力变化来标定气体流速变化。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种压差式气体微流量传感器及其制作方法。用于解决现有技术中热式气体微流量传感器热损耗大和无法检测活性气体的难题以及传统压阻式压力流量传感器结构尺寸大、工艺复杂和成本高等不足。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种压差式气体微流量传感器，包括一单晶硅基片及集成于该单晶硅基片同一面上的一个气体微沟道及两个压力传感器；
所述的气体微沟沿<211>晶向道埋设于单晶硅基片内，由文丘里沟道段和连接在文丘里沟道段两端的匀速沟道段组成，文丘里沟道段由喉道和分别位于喉道两端的收缩段和扩散段组成，气体微沟道的两端设有气体出/入口；
两个压力传感器分别通过取压通道与匀速沟道段和喉道连接，获取相应气体微沟道位置的气体压强。
优选地，所述的单晶硅基片为(111)晶面的单晶硅基片。
优选地，所述的喉道沿<211>晶向设置，且所述的喉道侧壁与收缩段倾斜面和扩散段倾斜面的夹角均为150°。
优选地，两个压力传感器分居气体微沟道两侧。
优选地，所述的压力传感器包括压力腔体、压力敏感薄膜和四个P-检测电阻，所述的压力腔体嵌入在单晶硅基片内，压力敏感薄膜位于压力腔体上方，P-检测电阻位于压力敏感薄膜上方。
优选地，所述的气体微沟道顶部单晶硅厚度不小于压力传感器的压力敏感薄膜的厚度；所述的气体微沟道的深度不小于压力传感器的压力腔体的深度。
所述的压差式气体微流量传感器的制作方法，包括以下步骤：
S1：提供具有至少一个抛光面的N型(111)单晶硅基片；
S2：采用DRIE法在一个抛光面上刻蚀三对两两之间相互平行且沿<211>晶向一字排布的限定槽，分别用来限定喉道和两个匀速沟道段的宽度和长度；
S3：采用DRIE法沿长度方向在限定槽之间刻蚀一长矩形微型槽，以定义气体微沟道形貌；
S4：选择性刻蚀成型气体微沟道，并采用低应力多晶硅缝合长矩形微型槽；
S5：制作压力传感器P-检测电阻，然后采用DRIE法定义压力传感器微型释放孔；
S6：选择性刻蚀释放压力敏感薄膜和压力腔体结构，同时释放取压通道，实现压力传感器与气体微沟道的连接；
S7：制作引线互连，并刻蚀出气体出/入口。
本发明中的匀速沟道段位于文丘里沟道段两端且与文丘里沟道段相连；匀速沟道段与文丘里沟道段均沿<211>晶向排布。通过在沟道两侧预先设定沿<110>晶向的腐蚀限定槽来分别限定匀速沟道段和文丘里沟道中吼道段的宽度和长度。位于喉道两端的收缩段和扩散段则是利用(111)硅片的特殊晶面排布结合单晶硅各向异性湿法腐蚀得到，即：位于喉道两端的收缩段和扩散段的两个倾斜面均为(111)晶面，这两个倾斜面实现了腐蚀自停止。优选地，步骤S2采用以下方法：
S21：热氧化形成SiO2层，然后采用DRIE法刻蚀三对两两之间相互平行且沿<211>晶向一字排布的限定槽；
S22：依次利用热氧化法和LPCVD法沉积TEOS和LPCVD低应力多晶硅；
S22：通过热氧化法将限定槽填满，以限定喉道和两个匀速沟道段的宽度和长度。
优选地，步骤S3采用以下方法：
S31：在喉道限定槽中间采用DRIE法刻蚀一长度与气体微沟道长度相匹配且平行于限定槽的长矩形微型槽；
S32：采用LPCVD法在长矩形微型槽侧壁沉积TEOS层；
S33：采用RIE法刻蚀掉长矩形微型槽底部的TEOS层，并保留长矩形微型槽侧壁的TEOS层；
S34：采用DRIE法继续向下刻蚀长矩形微型槽底部裸露的单晶硅，形成气体微沟道刻蚀间隙。
优选地，步骤S4采用以下方法：
S41：将单晶硅基片放入各向异性腐蚀溶液TMAH溶液中，对气体微沟道刻蚀间隙进行选择性腐蚀，释放形成文丘里沟道段和匀速沟道段；
S42：利用LPCVD低应力多晶硅缝合长矩形微型槽开口。
优选地，步骤S5采用以下方法：
S51：采用硼离子注入法制作P-检测电阻，
S52：采用DRIE法定义压力传感器微型释放孔；
S52：采用LPCVD法在压力传感器微型释放孔侧壁沉积TEOS层；
S53：采用RIE法剥离释放压力传感器微型释放孔底部的TEOS层；
S54：采用DRIE法继续向下刻蚀传感器微型释放孔底部裸露的单晶硅，形成传感器刻蚀间隙。
优选地，步骤S6采用以下方法：
S61：将单晶硅基片放入各向异性腐蚀溶液TMAH溶液中选择性腐蚀，对传感器刻蚀间隙进行选择性腐蚀，释放压力敏感薄膜和压力腔体结构，同时分别实现两个压力传感器与气体微沟道在喉道和匀速沟道段通过取压通道的连接；
S62：利用低应力多晶硅缝合压力敏感薄膜。
优选地，步骤S7采用以下方法：
S71：制作欧姆接触区和引线孔，并在单晶硅基片表面溅射铝薄膜，并形成引线和焊盘；
S72：采用DRIE法刻蚀制作气体出入/口。
优选地，所述的气体出/入口为气体出/入通孔，通过其侧壁部位与气体微沟道的端部连通。
与现有技术相比，本发明的压差式气体微流量传感器的所有检测单元均通过硅微加工方法结合特殊的结构设计巧妙在将单晶硅片的同一个表面制作而成，单晶硅基片的另一面不参与任何工艺，包括复杂的文丘里结构制作。本发明的压差式气体微流量传感器既避免了不同键合材料间热匹配失调所导致的微流体沟道形变问题，又便于实现单芯片气体流量传感器裸片与微流体系统的集成。具有芯片尺寸小、制造成本低，便于封装，灵敏度高，稳定性好等特点，可用于大批量生产。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的局部剖面示意图；
图3为图2中A区域的局部放大示意图；
图4为本发明的压差式气体微流量传感器的主要工艺流程图；其中，(a)定义喉道宽度；(b)定义整段沟道，包括匀速段、收缩段和扩散段；(c)腐蚀释放不同段沟道；(d)制作检测电阻并定义压力传感器微型释放孔；(e)硅片内部刻蚀压力腔体；(f)引线互连；图4(a)～(f)中所示的截面为喉道处截面；
图5为限定槽和长矩形微型槽的示意图。
图中，1为匀速沟道段，2为文丘里沟道段，21为收缩段，22为喉道，23为扩散段，3为压力传感器，31为压力腔体，32为P-检测电阻，33为压力敏感薄膜，4为气体出/入口，5为单晶硅基片，6为引线焊盘，7为限定槽，71为喉道限定槽，72为匀速段限定槽，8为取压通道，9为长矩形微型槽，10为压力传感器微型释放孔，11为SiO2层，12为气体微沟道刻蚀间隙。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种压差式气体微流量传感器，如图1～3所示，包括一单晶硅基片5及集成于该单晶硅基片5同一面上的一个气体微沟道及两个压力传感器3；气体微沟道沿<211>晶向埋设于单晶硅基片5内，由文丘里沟道段2和连接在文丘里沟道段2两端的匀速沟道段1组成，文丘里沟道段2由喉道22和分别位于喉道22两端的收缩段21和扩散段23组成，气体微沟道的两端设有气体出/入口4；两个压力传感器3分别通过取压通道8与匀速沟道段1和喉道22连接。
本实施例中的单晶硅基片5为(111)晶面的单晶硅基片。喉道22沿<211>晶向设置，且喉道22侧壁与收缩段21倾斜面和扩散段23倾斜面的夹角均为150°。压力传感器3包括压力腔体31、压力敏感薄膜33和四个P-检测电阻32，压力腔体31嵌入在单晶硅基片5内，压力敏感薄膜33位于压力腔体31上方，P-检测电阻32位于压力敏感薄膜33上方；气体微沟道顶部单晶硅厚度不小于压力传感器3的压力敏感薄膜33的厚度，气体微沟道的深度不小于压力传感器3的压力腔体31的深度。两个压力传感器3分居气体微沟道两侧。
上述压差式气体微流量传感器的制作方法，包括以下步骤：
S1：提供具有至少一个抛光面的N型(111)单晶硅基片；
S2：采用DRIE法在一个抛光面上刻蚀三对两两之间相互平行且沿<211>晶向一字排布的限定槽7，分别用来限定喉道22和两个匀速沟道段1的宽度和长度；
S3：采用DRIE法沿长度方向在限定槽7之间刻蚀一长矩形微型槽9，以定义气体微沟道形貌；
S4：选择性刻蚀成型气体微沟道，并采用低应力多晶硅缝合长矩形微型槽9；
S5：制作压力传感器P-检测电阻32，然后采用DRIE法定义压力传感器微型释放孔10；
S6：选择性刻蚀释放压力敏感薄膜33和压力腔体31结构，同时释放取压通道8，实现压力传感器3与气体微沟道的连接；
S7：制作引线互连，并刻蚀出气体出/入口4。
具体地，包括以下步骤：
S1：选用单面抛光或双面抛光的N型(111)单晶硅片，厚度不限，一般地，电阻率为1Ω·cm～10Ω·cm。
S2：热氧化形成
Figure BDA0001530542460000061
的SiO2层11，然后采用DRIE法刻蚀三对两两之间相互平行且沿<211>晶向一字排布的限定槽7，三对限定槽7分别为喉道限定槽71和位于喉道限定槽两端的匀速段限定槽72，分别用于限定喉道22和两个匀速沟道段1的长度和宽度，如图5所示，本实施例中，每个喉道限定槽71的长度选为60μm，深度60μm，两个喉道限定槽71之间的间距为25μm；然后利用热氧化法和LPCVD法沉积TEOS和LPCVD低应力多晶硅，通过热氧化法将喉道限定槽71填满，以限定喉道22的宽度和长度，见图4(a)。匀速段限定槽72喉道限定槽类似，其长度、深度及间距并根据情况进行设置。
S3：在限定槽7中间采用DRIE法刻蚀一长度与气体微沟道长度相匹配且平行于限定槽7的长矩形微型槽9，本实施例中，该槽长600μm，宽4μm，深20μm；S32：采用LPCVD法在长矩形微型槽9侧壁沉积TEOS层，本实施例中该TEOS层的厚度为
Figure BDA0001530542460000062
采用RIE法刻蚀掉长矩形微型槽底部的TEOS钝化层；采用DRIE法继续向下刻蚀长矩形微型槽9底部裸露的单晶硅，形成气体微沟道刻蚀间隙12，本实施例中向下刻蚀20μm。见图4(b)。
S4：将单晶硅基片5放入各向异性腐蚀溶液TMAH溶液中，对气体微沟道刻蚀间隙12进行选择性腐蚀，释放形成文丘里沟道段和匀速沟道段；然后利用LPCVD低应力多晶硅缝合长矩形微型槽9开口。一般地，该步骤还要采用RIE法去除硅片正面多余的低应力多晶硅。见图4(c)。
S5：采用硼离子注入法制作P-检测电阻32，采用DRIE法定义压力传感器微型释放孔10，本实施例中该释放孔深8μm；然后采用LPCVD法在压力传感器微型释放孔10侧壁沉积TEOS层以保护释放孔侧壁，本实施例中，该TEOS层厚
Figure BDA0001530542460000071
再采用RIE法剥离释放压力传感器微型释放孔10底部的TEOS层；最后再采用DRIE法继续向下刻蚀传感器微型释放孔13底部裸露的单晶硅，形成传感器刻蚀间隙，本实施例中，向下刻蚀16μm。见图4(d)。
S6：将单晶硅基片放入各向异性腐蚀溶液TMAH溶液中选择性腐蚀，对传感器刻蚀间隙进行选择性腐蚀，释放压力敏感薄膜33和压力腔体31结构，同时分别实现两个压力传感器3与气体微沟道在喉道22和匀速沟道段1通过取压通道8的连接；然后利用低应力多晶硅缝合压力敏感薄膜。见图4(e)。
S7：制作欧姆接触区和引线孔，并在单晶硅基片5表面溅射铝薄膜，并形成引线焊盘6；然后采用DRIE法刻蚀制作气体出入/口4，本实施例中，气体出/入口4为气体出/入通孔，通过其侧壁部位与气体微沟道的端部连通。见图4(f)。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种压差式气体微流量传感器，其特征在于，包括一单晶硅基片(5)及集成于该单晶硅基片(5)同一面上的一个气体微沟道及两个压力传感器(3)；
所述的气体微沟道沿<211>晶向埋设于单晶硅基片(5)内，由文丘里沟道段(2)和连接在文丘里沟道段(2)两端的匀速沟道段(1)组成，文丘里沟道段(2)由喉道(22)和分别位于喉道(22)两端的收缩段(21)和扩散段(23)组成，气体微沟道的两端设有气体出/入口(4)；
两个压力传感器(3)分别通过取压通道(8)与匀速沟道段(1)和喉道(22)连接；
所述的单晶硅基片(5)为(111)晶面的单晶硅基片；
所述的喉道(22)沿<211>晶向设置，且所述的喉道(22)侧壁与收缩段(21)倾斜面和扩散段(23)倾斜面的夹角均为150°；
所述的压差式气体微流量传感器的制作方法，包括以下步骤：
S1：提供具有至少一个抛光面的N型(111)单晶硅基片；
S2：采用DRIE法在一个抛光面上刻蚀三对两两之间相互平行且沿<211>晶向一字排布的限定槽(7)，分别用来限定喉道(22)和两个匀速沟道段(1)的宽度和长度；
S3：采用DRIE法沿长度方向在限定槽(7)之间刻蚀一长矩形微型槽(9)，以定义气体微沟道形貌；
S4：选择性刻蚀成型气体微沟道，并采用低应力多晶硅缝合长矩形微型槽(9)；
S5：制作压力传感器P-检测电阻(32)，然后采用DRIE法定义压力传感器微型释放孔(10)；
S6：选择性刻蚀释放压力敏感薄膜(33)和压力腔体(31)结构，同时释放取压通道(8)，实现压力传感器(3)与气体微沟道的连接；
S7：制作引线互连，并刻蚀出气体出/入口(4)；
步骤S2采用以下方法：
S21：热氧化形成SiO2层(11)，然后采用DRIE法刻蚀三对两两之间相互平行且沿<211>晶向一字排布的限定槽(7)；
S22：依次利用热氧化法和LPCVD法沉积TEOS和LPCVD低应力多晶硅；
S22：通过热氧化法将限定槽(7)填满，以限定喉道(22)和两个匀速沟道段(1)的宽度和长度；
步骤S3采用以下方法：
S31：在限定槽(7)中间采用DRIE法刻蚀一长度与气体微沟道长度相匹配且平行于限定槽(7)的长矩形微型槽(9)；
S32：采用LPCVD法在长矩形微型槽(9)侧壁沉积TEOS层；
S33：采用RIE法刻蚀掉长矩形微型槽(9)底部的TEOS层，并保留长矩形微型槽(9)侧壁的TEOS层；
S34：采用DRIE法继续向下刻蚀长矩形微型槽(9)底部裸露的单晶硅，形成气体微沟道刻蚀间隙(12)；
步骤S4采用以下方法：
S41：将单晶硅基片(5)放入各向异性腐蚀溶液TMAH溶液中，对气体微沟道刻蚀间隙(12)进行选择性腐蚀，释放形成文丘里沟道段和匀速沟道段；
S42：利用LPCVD低应力多晶硅缝合长矩形微型槽(9)开口；
步骤S5采用以下方法：
S51：采用硼离子注入法制作P-检测电阻，
S52：采用DRIE法定义压力传感器微型释放孔；
S52：采用LPCVD法在压力传感器微型释放孔侧壁沉积TEOS层；
S53：采用RIE法剥离释放压力传感器微型释放孔底部的TEOS层；
S54：采用DRIE法继续向下刻蚀传感器微型释放孔底部裸露的单晶硅，形成传感器刻蚀间隙。
2.根据权利要求1所述的压差式气体微流量传感器，其特征在于，两个压力传感器(3)分居气体微沟道两侧。
3.根据权利要求1所述的压差式气体微流量传感器，其特征在于，所述的压力传感器(3)包括压力腔体(31)、压力敏感薄膜(33)和四个P-检测电阻(32)，所述的压力腔体(31)嵌入在单晶硅基片(5)内，压力敏感薄膜(33)位于压力腔体(31)上方，P-检测电阻(32)位于压力敏感薄膜(33)上方。
4.根据权利要求3所述的压差式气体微流量传感器，其特征在于，所述的气体微沟道顶部单晶硅厚度不小于压力传感器(3)的压力敏感薄膜(33)的厚度；所述的气体微沟道的深度不小于压力传感器(3)的压力腔体(31)的深度。
5.如权利要求1～4任一所述的压差式气体微流量传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：提供具有至少一个抛光面的N型(111)单晶硅基片；
S2：采用DRIE法在一个抛光面上刻蚀三对两两之间相互平行且沿<211>晶向一字排布的限定槽(7)，分别用来限定喉道(22)和两个匀速沟道段(1)的宽度和长度；
S3：采用DRIE法沿长度方向在限定槽(7)之间刻蚀一长矩形微型槽(9)，以定义气体微沟道形貌；
S4：选择性刻蚀成型气体微沟道，并采用低应力多晶硅缝合长矩形微型槽(9)；
S5：制作压力传感器P-检测电阻(32)，然后采用DRIE法定义压力传感器微型释放孔(10)；
S6：选择性刻蚀释放压力敏感薄膜(33)和压力腔体(31)结构，同时释放取压通道(8)，实现压力传感器(3)与气体微沟道的连接；
S7：制作引线互连，并刻蚀出气体出/入口(4)。
6.根据权利要求5所述的压差式气体微流量传感器的制作方法，其特征在于，步骤S2采用以下方法：
S21：热氧化形成SiO2层(11)，然后采用DRIE法刻蚀三对两两之间相互平行且沿<211>晶向一字排布的限定槽(7)；
S22：依次利用热氧化法和LPCVD法沉积TEOS和LPCVD低应力多晶硅；
S22：通过热氧化法将限定槽(7)填满，以限定喉道(22)和两个匀速沟道段(1)的宽度和长度。
7.根据权利要求5或6所述的压差式气体微流量传感器的制作方法，其特征在于，步骤S3采用以下方法：
S31：在限定槽(7)中间采用DRIE法刻蚀一长度与气体微沟道长度相匹配且平行于限定槽(7)的长矩形微型槽(9)；
S32：采用LPCVD法在长矩形微型槽(9)侧壁沉积TEOS层；
S33：采用RIE法刻蚀掉长矩形微型槽(9)底部的TEOS层，并保留长矩形微型槽(9)侧壁的TEOS层；
S34：采用DRIE法继续向下刻蚀长矩形微型槽(9)底部裸露的单晶硅，形成气体微沟道刻蚀间隙(12)。
8.根据权利要求7所述的压差式气体微流量传感器的制作方法，其特征在于，步骤S4采用以下方法：
S41：将单晶硅基片(5)放入各向异性腐蚀溶液TMAH溶液中，对气体微沟道刻蚀间隙(12)进行选择性腐蚀，释放形成文丘里沟道段和匀速沟道段；
S42：利用LPCVD低应力多晶硅缝合长矩形微型槽(9)开口。
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