CN109084855B - 一种气体流量传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气体流量传感器及其制作方法。气体流量传感器包括：热膜敏感芯片、上气罩盖和下气罩盖；上气罩盖设置在热膜敏感芯片顶部，且上气罩盖与热膜敏感芯片键合后形成供气体流通的第一气体流动通道；下气罩盖设置在热膜敏感芯片底部，且下气罩盖与热膜敏感芯片键合后形成供气体流通的第二气体流动通道；热膜敏感芯片上衬底的热膨胀系数、上气罩盖的热膨胀系数以及下气罩盖的材质的热膨胀系数均相同。本发明通过键合的方式，减小气体流量传感器的整体尺寸，应用上更为方便灵活，采用键合的技术，提高了气体流量传感器的气密性。采用相同热膨胀系数的材料，避免装配气罩带来的残余应力，提高气体流量传感器的耐温度冲击能力。

Description

一种气体流量传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种气体流量传感器及其制作方法。

背景技术

气体流量传感器应用广泛，极大的影响着社会各行各业的发展。随着微电子技术及微机电系统技术的发展，开发出一种热膜式气体流量传感器，热膜式空气质量流量传感器依据“气体的放热量或吸热量与该气体的质量流量成正比”的理论，利用加热电路对传感器探头加热，气体流动时带走一部分热量使探头的温度改变，从而测得气体的质量。这种热膜式气体流量传感器需要一个气罩，热膜式气体流量传感器上的敏感芯片与气罩密闭连接，使气体以一定的方向流经敏感芯片。

但是，该热膜式气体流量传感器会出现热失配现象，又容易出现密封不严或是高低温失效的问题，而且抗振动和隔热性不能兼容。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种气体流量传感器及其制作方法，降低气体流量传感器的体积和成本，提高稳定性和耐温度冲击能力。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一方面，本发明提供了一种气体流量传感器，包括：热膜敏感芯片、上气罩盖和下气罩盖；

所述上气罩盖设置在所述热膜敏感芯片顶部，且所述上气罩盖与所述热膜敏感芯片键合后形成供气体流通的第一气体流动通道；

所述下气罩盖设置在所述热膜敏感芯片底部，且所述下气罩盖与所述热膜敏感芯片键合后形成供气体流通的第二气体流动通道；

其中，所述热膜敏感芯片上衬底的热膨胀系数、所述上气罩盖的热膨胀系数以及所述下气罩盖的热膨胀系数均相同。

其中，所述热膜敏感芯片上衬底的材质、所述上气罩盖的材质以及所述下气罩盖的材质均相同。

其中，所述热膜敏感芯片上衬底的材质为单晶硅。

其中，所述热膜敏感芯片，包括：衬底、加热电阻和测温电阻；

所述加热电阻和所述测温电阻均设置在所述衬底的顶部上，且均位于第一气体流动通道中；

所述测温电阻包括：第一测温电阻和第二测温电阻，且第一测温电阻和第二测温电阻位于加热电阻的两侧，以使第一气体流动通道中流通的气体依次流经第一测温电阻、加热电阻和第二测温电阻。

其中，所述衬底上，沿着气体流通方向上的两端厚度大于中部的厚度。

其中，所述衬底上设有贯穿衬底的通槽。

其中，所述通槽包括：第一通槽和第二通槽；

所述第一通槽设置在第一测温电阻与加热电阻之间；

所述第二通槽设置在第二测温电阻与加热电阻之间。

另一方面，本发明还提供了一种基于上述实施例的气体流量传感器的制作方法，包括：

通过微机电系统加工出热膜敏感芯片、上气罩盖和下气罩盖；

将热膜敏感芯片、上气罩盖和下气罩盖键合在一起。

其中，所述通过微机电系统加工出热膜敏感芯片、上气罩盖和下气罩盖的步骤，包括：

对单晶硅进行热氧化处理，使单晶硅表面形成二氧化硅绝缘层；

在二氧化硅绝缘层上沉积氮化硅绝缘层，并腐蚀掉单晶硅顶部的氮化硅绝缘层；

在单晶硅顶部沉积金属膜，并对金属膜进行刻蚀形成测温电阻和加热电阻；

对单晶硅进行退火处理后在单晶硅的顶部沉积绝缘钝化层；

在单晶硅的顶部和底部分别光刻出通槽的图形和待腐蚀的图形，并去除通槽图形上的绝缘钝化层和待腐蚀图形上的绝缘钝化层；

按照待腐蚀的图形对单晶硅的底部进行腐蚀，并达到预设的腐蚀深度后，按照通槽的图形对单晶硅的顶部进行刻蚀，形成贯穿单晶硅的通槽。

其中，所述将热膜敏感芯片、上气罩盖和下气罩盖键合在一起的步骤，包括：

将上气罩盖与热膜敏感芯片相键合的一侧、以及下气罩盖与热膜敏感芯片相键合的一侧均涂覆BCB胶，并对BCB胶进行烘烤固化；

将涂覆BCB胶的上气罩盖和下气罩盖分别对准热膜敏感芯片；

在键合机中对上气罩盖和下气罩盖施加预设压力和预设温度完成键合。

本发明提供的一种气体流量传感器及其制作方法，通过键合的方式，大大减小气体流量传感器的整体尺寸，使气体流量传感器的使用更为方便灵活，由于采用键合的技术，提高了气体流量传感器的气密性。采用相同热膨胀系数的材料，避免装配气罩带来的残余应力，提高气体流量传感器的耐温度冲击能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供一种气体流量传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供一种气体流量传感器中热膜敏感芯片的结构示意图；

图3是本发明实施例提供一种气体流量传感器中上气罩盖的结构示意图；

图4是本发明实施例提供一种气体流量传感器中下气罩盖的结构示意图；

图5是本发明实施例提供一种气体流量传感器的制作方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种气体流量传感器，参见图1，该气体流量传感器采用三层结构，包括：热膜敏感芯片102、上气罩盖101和下气罩盖103；

热膜敏感芯片102、上气罩盖101和下气罩盖103的结构分别是经过微机电系统加工的基片，通过键合的方法形成一体，构成气体流量传感器，能够大大减小气体流量传感器的整体尺寸，使气体流量传感器整体结构的一致性更好，后续应用更为方便灵活。

其中，上气罩盖101设置在热膜敏感芯片102顶部，且上气罩盖101与热膜敏感芯片102键合后形成供气体流通的第一气体流动通道11；

下气罩盖103设置在热膜敏感芯片102底部，且下气罩盖103与热膜敏感芯片102键合后形成供气体流通的第二气体流动通道22；

其中，热膜敏感芯片102上衬底的热膨胀系数、上气罩盖101的热膨胀系数以及下气罩盖103的热膨胀系数均相同或相近似。需要说明的是，热膜敏感芯片102上衬底的材质为单晶硅，因此在热膨胀系数相同的情况下，上气罩盖101材质和下气罩盖103的材质均与热膜敏感芯片102上衬底的材质相同，为单晶硅；若热膨胀系数相近似，则热膜敏感芯片102上衬底的材质为单晶硅，上气罩盖101和下气罩盖103中一个或二个的材质为：硼硅玻璃。优选地，热膜敏感芯片102的材质、上气罩盖101的材质和下气罩盖103的材质都采用单晶硅，材料力学和热学匹配，并采用硅-硅的圆片级的键合工艺，保障气体流量传感器上键合面的气密性，避免粘贴或气罩装配带来的残余应力，提高气体流量传感器的耐温度冲击能力。

在具体实施时，热膜敏感芯片102，包括：衬底1、加热电阻2和测温电阻3；

参见图2，加热电阻2和测温电阻3均设置在衬底1的顶部上，且均位于第一气体流动通道11中；

测温电阻3包括：第一测温电阻和第二测温电阻，且第一测温电阻和第二测温电阻位于加热电阻2的两侧，以使第一气体流动通道中流通的气体依次流经第一测温电阻、加热电阻2和第二测温电阻。

需要说明的是，热膜敏感芯片102上的加热电阻2和测温电阻3是在衬底1上制作的，衬底1为N型单晶硅。单晶硅经过氧化后，在上面溅射或蒸发金属铂薄膜，按照预先设计的结构将金属铂薄膜刻蚀成为电阻结构，分别为：加热电阻2及两侧各一个测温电阻3，同时将加热电阻2和两个测温电阻3通过衬底上的引线连接到衬底1的一端，制作出引线焊盘4，形成热膜敏感芯片102。

进一步的，在单晶硅的底部通过湿法腐蚀制作出中空硅杯结构，即在衬底上，沿着气体流通方向上的两端厚度大于中部的厚度，减小了低衬底1的体积，降低衬底1热传到的效率，提高衬底1的隔热性能。参见图2，顶部的加热电阻2和测温电阻3正位于中部形成的薄膜的位置。

为了更进一步的提高衬底1的隔热性能，在衬底上设有贯穿衬底1的用于热隔离的通槽5。该通槽5包括：设置在第一测温电阻与加热电阻之间的第一通槽，以及设置在第二测温电阻与加热电阻之间的第二通槽；第一通槽和第二通槽减小了第一测温电阻与加热电阻之间以及第二测温电阻与加热电阻之间的热传导。

在具体实施时，上气罩盖101采用N型单晶硅，参见图3，在单晶硅制成的单晶硅片一侧通过湿法腐蚀工艺，制作出气体流通通道6，该气体流通通道6的位置与热膜敏感芯片102上的加热电阻2和测温电阻3的位置要对准，以使上气罩盖101与热膜敏感芯片102键合后形成供气体流通的第一气体流动通道11；其中，上气罩盖101上设计有主流通道61和副气流通道62，保证气体流通通道中气流流通平稳。

在本实施例中，上气罩盖101尺寸要小于热膜敏感芯片102的尺寸，热膜敏感芯片102大于上气罩盖101的部分空间为焊盘4引线的焊接空间和焊盘4的空间。

在具体实施时，下气罩盖103采用N型单晶硅，参见图4，在单晶硅制成的单晶硅片一侧通过湿法腐蚀工艺，制作出气体流通通道7，该气体流通通道7位置与热膜敏感芯片102中空硅杯结构的腐蚀腔对准，以使下气罩盖103与热膜敏感芯片102键合后形成供气体流通的第二气体流动通道22，保证气流在热膜敏感芯片102下方也可通过，而且下气罩盖上设置的对应腐蚀腔的气体流通通道7，保证了热膜敏感芯片102上下气体压力一致。

需要说明的是，上气罩盖和下气罩盖的气体流通通道的形状和尺寸容易通过版图设计调整和腐蚀工艺调整，上下气罩盖的厚度也可调整，方便气体流量传感器的量程扩展。

从上述描述可知，本发明实施例提供的气体流量传感器，通过键合的方式将热膜敏感芯片、上气罩盖和下气罩盖键合在一起，形成上中下的三层结构，大大减小了气体流量传感器的整体尺寸，使气体流量传感器的应用更为方便灵活；采用硅-硅圆片级的键合技术，提高气体流量传感器的气密性；热膜敏感芯片、上气罩盖和下气罩盖都采用单晶硅材料，实现材料的力和热的匹配，避免气罩装配带来的残余应力，而且提高气体流量传感器的耐温度冲击能力；上气罩盖和下气罩盖上的气体流通的通道直接设计并制作在上下气罩盖上，采用微加工实现，精度高，一致性好，通道尺寸可控性强，并且方便按照不同量程需要调整通道结构和尺寸。通过微电机系统的加工制作和封装技术，可实现批量制造的同时，也可降低成本。

本发明实施例提供了一种上述实施例中的气体流量传感器的制作方法，参见图5，包括：

S101：通过微机电系统加工出热膜敏感芯片、上气罩盖和下气罩盖；

在本步骤中，通过微机电系统加工的热膜敏感芯片、上气罩盖和下气罩盖，可实现批量制造的同时，也可降低成本。而且，采用微机电系统进行加工，具有精度高，一致性好，通道尺寸可控性强，按照不同量程需要调整通道结构和尺寸，由微机电系统加工的热膜敏感芯片、上气罩盖和下气罩盖组成的气体流量传感器，具有体积小，低成本，稳定性好，功耗低和能够批量制造的效果。

通过微机电系统采用如下方法或步骤分别进行加工热膜敏感芯片、上气罩盖和下气罩盖；

其中，热膜敏感芯片的制作过程：

(a)对单晶硅进行热氧化处理，使单晶硅表面形成二氧化硅绝缘层；

在本步骤中，选用N型单晶硅，采用标准清洗液对单晶硅进行清洗后，对单晶硅进行热氧化，形成厚度为：

的二氧化硅层。

(b)在二氧化硅绝缘层上沉积氮化硅绝缘层，并腐蚀掉单晶硅顶部的氮化硅绝缘层；

在本步骤中，采用LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)的方式在热氧化后的单晶硅上沉积厚度为：

的氮化绝缘层，再采用湿法腐蚀将单晶硅顶部的氮化绝缘层去除。

(c)在单晶硅顶部沉积金属膜，并对金属膜进行刻蚀形成测温电阻和加热电阻；

在本步骤中，在单晶硅的顶部通过蒸发或溅射的方法沉积Ti薄膜或Pt薄膜，在Ti薄膜或Pt薄膜的外部涂覆光刻胶，在光刻胶的保护下，利用剥离或干法刻蚀刻去除Ti薄膜或Pt薄膜上多余的金属，以便将单晶硅正面的Ti薄膜或Pt薄膜制作成：加热电阻、测温电阻、连接加热电阻和测温电阻的片内布线和连接加热电阻和测温电阻的焊盘。

其中，沉积Ti薄膜的厚度为：

沉积Pt薄膜的厚度为：

(d)对单晶硅进行退火处理后在单晶硅的顶部沉积绝缘钝化层；

在本步骤中，先对单晶硅进行退火处理，再采用PECVD的方式在加热电阻、测温电阻、片内布线和焊盘上沉积厚度在

的二氧化硅或氮化硅绝缘钝化层，并将去除焊盘位置的钝化层。

(e)在单晶硅的顶部和底部分别光刻出通槽的图形和待腐蚀的图形，并去除通槽图形上的绝缘钝化层和待腐蚀图形上的绝缘钝化层；

在本步骤中，在单晶硅的顶部光刻出用于热隔离的通槽的图形，并用干法刻蚀将该图形位置的绝缘钝化层去除，

在单晶硅的底部采用双面对准法，光刻出底部腐蚀位置的图形，并采用干法刻蚀去除该图形位置的绝缘钝化层。

(f)按照待腐蚀的图形对单晶硅的底部进行腐蚀，并达到预设的腐蚀深度后，按照通槽的图形对单晶硅的顶部进行刻蚀，形成贯穿单晶硅的通槽。

在本步骤中，采用KOH腐蚀液对单晶硅底部进行腐蚀，并达到预设的腐蚀深度后，采用干法刻蚀去除通槽位置的硅层，形成贯穿单晶硅的通槽。

其中，根据单晶硅的厚度不同，预设的腐蚀深度也不同；优选地，在腐蚀预设的腐蚀深度后，剩余的硅层为一个度在2～10μm的薄膜。

需要说明的是，可以在沉积Ti薄膜或Pt薄膜之前制作过渡层，增加Ti薄膜或Pt薄膜的粘附性，可以在去除焊盘位置的钝化层后，增加可焊金属层，保证焊盘的可焊性。

其中，上气罩盖的制作过程与下气罩盖的制作过程相同，本实施例以上气罩盖的制作过程为例，说明上气罩盖和下气罩盖的制作方法。

上气罩盖的制作过程：

(1)选用N型单晶硅，采用标准清洗液清洗后，对硅片进行热氧化，形成厚度为：

的二氧化硅层；

(2)采用LPCVD的方式在热氧化后的单晶硅上沉积厚度为：

的氮化绝缘层，通过光刻，在单晶硅上光刻出气体通道的图形，并用氢氟酸去除上面的二氧化硅层。

(3)用湿法腐蚀方法，腐蚀出预设深度的光滑沟槽，作为气体流动通道。

需要说明的是，上气罩盖和下气罩盖的图形结构不同，根据应用环境需要，原材料也可以不同。

S102：将热膜敏感芯片、上气罩盖和下气罩盖键合在一起。

在本步骤中，将热膜敏感芯片、上气罩盖和下气罩盖通过圆片级的键合在一起，形成上中下三层结构，能够大大减小气体流量传感器的整体尺寸，提高气体流量传感器的一致性，使其应用更为方便灵活；而且采用圆片级的键合方式，提高了气体流量传感器的气密性。

通过如下方法或步骤将热膜敏感芯片、上气罩盖和下气罩盖键合在一起：

(A)将上气罩盖与热膜敏感芯片相键合的一侧、以及下气罩盖与热膜敏感芯片相键合的一侧均涂覆BCB胶，并对BCB胶进行烘烤固化；

在本步骤中，将上气罩盖和下气罩盖撒上有沟槽的一侧涂覆一层BCB胶，并经过预设温度的烘烤，使BCB胶固化；

(B)将涂覆BCB胶的上气罩盖和下气罩盖分别对准热膜敏感芯片；

在本步骤中，通过双面光刻对准，将上气罩盖上有沟槽侧对准热膜敏感芯片上有热敏电阻一侧，将下气罩盖上有沟槽一侧与热膜敏感芯片上有腐蚀腔一侧对准。

(C)在键合机中对上气罩盖和下气罩盖施加预设压力和预设温度完成键合。

在本步骤中，通过键合机施加预设的压力，阶梯升温，在200～250℃下，恒温2小时，完成三层结构的圆片级的键合，形成气体流量传感器。

需要说明的是，在不使用BCB胶的情况下，采用低温直接键合。

从上述描述可知，本实施例提供基于微电机系统的上中下三层结构的气体流量传感器，采用微电机系统进行制作加工和圆片级的键合封装，避免现有的气体流量传感器后续芯片与气罩一对一粘结带来的工艺及质量问题，以及器件整体尺寸较大的问题。本实施例提供的制作方法可以实现圆片级的键合封装，提高生产效率同时，也提高了气体流量传感器的一致性，便于气体流量传感器的应用；另外，气体流量传感器采用热膨胀系数一致的材料，实现敏感芯片与气罩的一体化封装，保证气密性的同时，也可以使得传感器耐受温度冲击能力增强。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明并不局限于任何单一的方面，也不局限于任何单一的实施例，也不局限于这些方面和/或实施例的任意组合和/或置换。而且，可以单独使用本发明的每个方面和/或实施例或者与一个或更多其他方面和/或其实施例结合使用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种气体流量传感器，其特征在于，包括：热膜敏感芯片、上气罩盖和下气罩盖；

所述上气罩盖设置在所述热膜敏感芯片顶部，且所述上气罩盖与所述热膜敏感芯片键合后形成供气体流通的第一气体流动通道；

所述下气罩盖设置在所述热膜敏感芯片底部，且所述下气罩盖与所述热膜敏感芯片键合后形成供气体流通的第二气体流动通道；

其中，所述热膜敏感芯片上衬底的热膨胀系数、所述上气罩盖的热膨胀系数以及所述下气罩盖的热膨胀系数均相同；

所述热膜敏感芯片，包括：衬底、加热电阻和测温电阻；

所述加热电阻和所述测温电阻均设置在所述衬底的顶部上，且均位于第一气体流动通道中；

所述测温电阻包括：第一测温电阻和第二测温电阻，且第一测温电阻和第二测温电阻位于加热电阻的两侧，以使第一气体流动通道中流通的气体依次流经第一测温电阻、加热电阻和第二测温电阻。

2.根据权利要求1所述的气体流量传感器，其特征在于，所述热膜敏感芯片上衬底的材质、所述上气罩盖的材质以及所述下气罩盖的材质均相同。

3.根据权利要求2所述的气体流量传感器，其特征在于，所述热膜敏感芯片上衬底的材质为单晶硅。

4.根据权利要求1所述的气体流量传感器，其特征在于，所述衬底上，沿着气体流通方向上的两端厚度大于中部的厚度。

5.根据权利要求1所述的气体流量传感器，其特征在于，所述衬底上设有贯穿衬底的通槽。

6.根据权利要求5所述的气体流量传感器，其特征在于，所述通槽包括：第一通槽和第二通槽；

所述第一通槽设置在第一测温电阻与加热电阻之间；

所述第二通槽设置在第二测温电阻与加热电阻之间。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述气体流量传感器的制作方法，其特征在于，包括：

通过微机电系统加工出热膜敏感芯片、上气罩盖和下气罩盖；

将热膜敏感芯片、上气罩盖和下气罩盖键合在一起。

8.根据权利要求7所述的气体流量传感器的制作方法，其特征在于，所述通过微机电系统加工出热膜敏感芯片、上气罩盖和下气罩盖的步骤，包括：

对单晶硅进行热氧化处理，使单晶硅表面形成二氧化硅绝缘层；

在二氧化硅绝缘层上沉积氮化硅绝缘层，并腐蚀掉单晶硅顶部的氮化硅绝缘层；

在单晶硅顶部沉积金属膜，并对金属膜进行刻蚀形成测温电阻和加热电阻；

对单晶硅进行退火处理后在单晶硅的顶部沉积绝缘钝化层；

在单晶硅的顶部和底部分别光刻出通槽的图形和待腐蚀的图形，并去除通槽图形上的绝缘钝化层和待腐蚀图形上的绝缘钝化层；

按照待腐蚀的图形对单晶硅的底部进行腐蚀，并达到预设的腐蚀深度后，按照通槽的图形对单晶硅的顶部进行刻蚀，形成贯穿单晶硅的通槽。

9.根据权利要求7所述的气体流量传感器的制作方法，其特征在于，所述将热膜敏感芯片、上气罩盖和下气罩盖键合在一起的步骤，包括：

将上气罩盖与热膜敏感芯片相键合的一侧、以及下气罩盖与热膜敏感芯片相键合的一侧均涂覆BCB胶，并对BCB胶进行烘烤固化；

将涂覆BCB胶的上气罩盖和下气罩盖分别对准热膜敏感芯片；

在键合机中对上气罩盖和下气罩盖施加预设压力和预设温度完成键合。

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