CN110146136B - 热堆式气体质量流量传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热堆式气体质量流量传感器及其制备方法，包括：衬底；与衬底相连接的带类“非”字状槽的介质膜，且介质膜与衬底共同围成一个隔热腔体；加热元件；至少两个感测元件；单晶硅热偶臂的冷端与衬底之间呈“三明治”状热沉结构。通过引入类“非”字状介质膜以及其下表面的单晶硅热偶臂的结构，即单晶硅热偶臂的热端悬空于隔热腔体上，单晶硅热偶臂的冷端与中间介质层及衬底面面接触的热沉结构，实现了单晶硅‑金属热偶对与衬底的物理隔离，减少了本发明的衬底散热，提高了传感器的灵敏度；热沉结构，增大了单晶硅热偶臂冷端的散热性能，增大了单晶硅‑金属热偶对冷端和热端温度差，从而缩短传感器的响应时间、提高传感器的量程范围。

Description

热堆式气体质量流量传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于硅微机械传感器技术领域，特别是涉及一种热堆式气体质量流量传感器及其制备方法。

背景技术

气体流量一直是生产与科研中最重要的测量参数之一，因此气体流量测量仪表在汽车，电力，航空航天以及微电子领域被广泛使用。目前市场中比较成熟的流量计包括涡轮流量计、罗茨流量计等，这些机械式流量计的技术成熟且性能可靠。但由于生化、医疗等领域要求的流量范围约为nL/min量级，是机械式流量计所不能满足的。因此要求新型的气体流量传感器具有更高的测量精度以及更小的体积。

这些年随着MEMS技术和热流体仿真技术的蓬勃发展，基于MEMS技术的风速风向传感器应运而生，依据检测原理的不同主要分为两大类：一是具有可动结构的非热式风速风向传感器，以流体对敏感结构的压力作用使结构产生的变形量作为检测量，获取流体的流速信息，二是不包含可动结构的热式风速风向传感器，其原理是由于外界环境中的风或流体会对加热后的芯片产生不对称的降温作用。因此通过检测芯片的热量散失和温度场分布，就能够得知流量大小。

热式风速计主要有三种工作原理，分别是热损失型，热温差型和热脉冲型。热温差型流量传感器根据其测温电阻种类的不同又可以分为热温差式流量传感器和热电堆式流量传感器。热电堆是一类测量温度的元件，由多个热电偶串联而成。热电偶则是把两种不同材料的导体两端连接形成闭合回路，当两端存在温度差异时，在回路中会产生电势差。这一现象被称之为塞贝克效应，因此若保持其中一端温度恒定，则可以通过测量电动势来测量另一端温度。

目前热电堆式流量传感器多以在(100)硅片上通过双面微机械加工为主，芯片尺寸较大，制作成本高，且不利于批量化制造；此外，受制作工艺限制，热偶材料多采用多晶硅-金属结合，然后通过增加热对偶数量或增加热对偶臂长方式来提高传感器检测性能，但这将进一步增大芯片尺寸，提高制作成本。为了降低芯片尺寸，提高检测灵敏度，科学工作者也做了大量研究，但难以兼顾高灵敏度和微型化。

为了降低芯片尺寸，1999年G.Kaltsas等人用P型多晶硅-铝金属作为热偶材料，用多孔硅作为介质层采用单面微加工方式制造气体流量传感器[Kaltsas G，NassiopoulouA.G.Novel C-MOS compatible monolithic silicon gas flow sensor with poroussilicon thermal isolation[J].Sensors and Actuators A：Physical,1999，76(1)：133-138.]。这种工艺虽然实现了单面加工，降低芯片尺寸，但存在热偶臂的赛贝克系数较低，且多孔硅制作过程复杂，成型过程难以复制，在空气中易龟裂等缺点。

在此基础之上，为了提高检测灵敏度，2008年IHTM-IMTM公司的D.Randjeloviü等人用塞贝克系数高的P型单晶硅-金作为热偶材料研制了一种气体流量传感器[Randjelovic D，Kaltsas G，Lazic Z，et al.Multipurpose thermal sensor based onSeebeck effect[C]，Proc.23rd International Conference on Microelectronics(MIEL2002)，2002，1：261-264.]。该器件在一定程度上提高了气体流量传感器的灵敏度，但由于其介质膜为薄层单晶硅与二氧化硅结合而成，由于单晶硅热导系数大，导致传感器热耗散高进而降低了检测灵敏度；采用背面腐蚀技术，腐蚀时间不易控制；且由湿法腐蚀特性可知，介质膜面积与单晶硅背面掩膜开口区域面积比值很小，硅片厚度较大，芯片尺寸越大成本越高。

2016年Piotto等人采用P型多晶硅-N型多晶硅作为热偶对研制出一款这种方案的热电堆式气体流量传感器。[Massimo Piotto，Francesco Del Cesta，Paolo Bruschi,Integrated smart gas flow sensor with 2.6mW total power consumption and 80dBdynamic range[J].Microelectronic Engineering，2016，159：159-163]该器件采用单硅片单面制作工艺减小了芯片尺寸，且P型多晶硅-N型多晶硅热偶对的赛贝克系数比之前研究工作中的多晶硅-金属热偶对要提高不少。但依然没有解决利用单面工艺制作单晶硅热偶臂的技术难题。

因此，设计一种热电堆式气体流量传感器，以解决现有技术中热耗散高、尺寸大、成本高、灵敏度低等不足，以及传感器检测量程受限动态响应时间受限等问题的实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种热堆式气体质量流量传感器及其制备方法，用于解决现有技术中热堆式气体质量流量传感器热耗散高、尺寸大、成本高、灵敏度低等不足，以及传感器检测量程受限动态响应时间受限等的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种热堆式气体质量流量传感器，包括：

衬底，具有凹槽，所述凹槽开设于所述衬底的上表面；

带类“非”字状槽的介质膜，覆盖于所述凹槽上方，且与所述衬底相连接，所述介质膜与所述衬底共同围成一个隔热腔体；

加热元件，位于所述介质膜下表面；

至少两个感测元件，位于所述介质膜上，且设置于所述加热元件的两侧呈对称分布，所述感测元件包括至少一组单晶硅-金属热偶对组，所述单晶硅-金属热偶对组包括若干个单晶硅-金属热偶对，其中，所述单晶硅-金属热偶对由悬挂于所述介质膜下表面的单晶硅热偶臂和位于所述介质膜上表面的金属热偶臂通过位于所述介质膜上的连接孔连接组成；

所述单晶硅热偶臂的冷端与所述衬底之间呈“三明治”状热沉结构，即，从上往下，所述单晶硅热偶臂的冷端与所述衬底之间的结构为衬底-中间介质层-衬底，从左往右，所述单晶硅热偶臂的冷端与所述衬底之间的结构为衬底-中间介质层-衬底，通过所述热沉结构实现所述单晶硅热偶臂的冷端的三侧面及底面通过所述中间介质层实现与衬底的面与面接触。

所述单晶硅热偶臂的热端位于所述加热元件的侧边，且所述单晶硅热偶臂的热端与所述加热元件之间通过所述介质膜上的第一隔离槽隔离，相邻两所述单晶硅-金属热偶对之间通过所述介质膜上的第二隔离槽隔离。

可选地，还包括环境电阻元件，设置于所述介质膜下表面且位于所述隔热腔体一侧的所述衬底上。

进一步地，还包括若干个引线焊盘，位于所述衬底上，且设置于所述环境电阻元件、所述加热元件及所述感测元件的两端。

可选地，所述环境电阻元件、所述加热元件及所述单晶硅热偶臂均为P型掺杂的单晶硅。

进一步地，所述加热元件沿<110>晶向延伸，所述环境电阻元件沿<110>晶向延伸，所述单晶硅-金属热偶对沿<211>晶向延伸。

进一步地，所述金属热偶臂位于所述单晶硅热偶臂的正上方，所述金属热偶臂与所述单晶硅热偶臂之间通过所述介质膜实现电学隔离。

可选地，所述衬底为(111)单晶硅衬底。

可选地，所述介质膜为氮化硅介质膜，所述第一隔离槽沿<110>晶向延伸，所述第二隔离槽沿<211>晶向延伸。

可选地，所述中间介质层包括从外到内依次叠置的氮化硅层、TEOS层及低应力多晶硅层。

本发明还提供一种热堆式气体质量流量传感器的制备方法，包括如下步骤：

1)提供衬底，并于所述衬底上定义出加热元件区与感测元件区，再于所述衬底上形成保护层，其中，所述感测元件区位于所述加热元件区两侧，感测元件包括至少一组单晶硅-金属热偶对组，所述单晶硅-金属热偶对组包括若干个单晶硅-金属热偶对，所述单晶硅-金属热偶对由单晶硅热偶臂与金属热偶臂连接组成；

2)刻蚀所述保护层及所述衬底以形成所述单晶硅热偶臂冷端的结构释放槽，并通过所述结构释放槽于所述单晶硅热偶臂冷端下方预设深度形成空隙层；

3)于所述结构释放槽及所述空隙层中填充中间介质层；

4)刻蚀所述衬底以形成浅槽，用于定义出所述加热元件以及所述单晶硅热偶臂所在的位置及尺寸；

5)于所述浅槽侧壁形成侧壁保护层，并于形成有所述侧壁保护层的所述浅槽内填充牺牲层；

6)去除衬底表面所述保护层，并于所述衬底上形成介质膜；

7)于所述介质膜上形成连接孔，所述连接孔暴露出所述加热元件的接触孔及所述单晶硅热偶臂热端和冷端的接触孔；

8)于步骤7)得到的结构的表面沉积金属层并对其图形化，以形成所述金属热偶臂，并通过所述金属层实现所述单晶硅热偶臂与所述金属热偶臂的互连，另外，通过所述金属层形成所述加热元件及所述感测元件的引线焊盘；

9)刻蚀所述介质膜及所述衬底以形成类“非”字状的释放槽，所述释放槽包括第一深隔离槽及第二深隔离槽；

10)以所述释放槽为窗口腐蚀部分所述衬底形成隔热腔体，以释放所述介质膜、所述单晶硅热偶臂及所述加热元件，其中，所述介质膜与所述衬底相连接，并与所述衬底共同围成所述隔热腔体。

可选地，步骤1)形成所述保护层后还包括对所述加热元件区及所述感测元件区进行P型掺杂的步骤。

可选地，步骤2)中，通过所述结构释放槽于所述单晶硅热偶臂冷端下方预设深度形成空隙层的具体步骤为：

2-1)于所述结构释放槽侧壁形成钝化层；

2-2)沿形成有所述钝化层的所述结构释放槽底部继续刻蚀预设深度的所述衬底；

2-3)将步骤2-2)得到的结构放置于湿刻溶解中腐蚀，以腐蚀掉所述单晶硅热偶臂冷端下方预设深度的所述衬底，形成所述空隙层。

进一步地，所述中间介质层包括从外到内依次叠置的氮化硅层、TEOS层及低应力多晶硅层。

可选地，步骤5)中，于所述浅槽侧壁形成侧壁保护层的具体步骤为：

5-1)于步骤4)得到的结构表面沉积侧壁保护材料层，所述侧壁保护材料层包括TEOS层；

5-2)去除所述浅槽底部及其周围的所述衬底上的所述侧壁保护材料层，以形成位于所述浅槽侧壁的侧壁保护层。

可选地，步骤9)中，形成所述释放槽的具体步骤为：

9-1)刻蚀所述释放槽所在区域的所述介质膜，形成第一隔离槽及第二隔离槽；

9-2)沿所述释放槽所在区域继续刻蚀预设深度，以加深所述第一隔离槽及第二隔离槽的深度，形成所述释放槽的所述第一深隔离槽及第二深隔离槽。

可选地，步骤10中)，形成所述隔热腔体的具体步骤为：

10-1)将步骤9)得到的结构放置于TMAH湿刻溶液中腐蚀，以去除部分所述衬底及所述牺牲层；

10-2)采用BOE湿刻溶液去除所述侧壁保护层。

可选地，所述衬底为(111)单晶硅衬底。

可选地，所述介质膜为氮化硅介质膜，所述第一深隔离槽沿<110>晶向延伸，所述第二深隔离槽沿<211>晶向延伸，所述单晶硅热偶臂的热端位于所述加热元件的侧边，且所述单晶硅热偶臂的热端与所述加热元件之间通过所述介质膜上的第一深隔离槽隔离，相邻两所述单晶硅-金属热偶对之间通过所述介质膜上的第二深隔离槽隔离。

如上所述，本发明的热堆式气体质量流量传感器及其制备方法，引入类“非”字状介质膜以及其下表面的单晶硅热偶臂的结构，即所述单晶硅热偶臂的热端悬空于隔热腔体上，单晶硅热偶臂的冷端与中间介质层及衬底面面接触的热沉结构。所述隔热腔体，实现了单晶硅-金属热偶对与衬底的物理隔离，减少了本发明的衬底散热，所述类“非”字状介质膜，有效防止热量在介质膜之间的传递，提高了传感器的灵敏度。单晶硅热偶臂的冷端与衬底面面接触的热沉结构，增大了单晶硅热偶臂冷端的散热性能，提高了单晶硅-金属热偶对冷端和热端温差，从而缩短传感器的响应时间、提高传感器的量程范围；本发明的整个流量传感器采用单硅片单面体硅微机械加工技术制作，因此芯片尺寸小，成本低，适于大批量生产。

附图说明

图1显示为本发明的热堆式气体质量流量传感器的全局三维结构示意图。

图2显示为本发明的热堆式气体质量流量传感器三维结构剖面示意图。

图3显示为本发明的热堆式气体质量流量传感器制备过程中的各步骤工艺流程图。

图4至图13b显示为本发明的热堆式气体质量流量传感器制备过程中各步骤对应的结构示意图，该各步骤对应的结构示意图是沿图2中箭头所示的<211>晶向至<110>晶向的纵向剖视图，且在<211>晶向的剖切点位于单晶硅-金属热偶对上，在<110>晶向的剖切点位于单晶硅-金属热偶对组上。

元件标号说明

1 衬底

11 凹槽

111 隔热腔体

12 P型掺杂区

13 保护层

14 结构释放槽

141 钝化层

15 空隙层

16 中间介质层

161 氮化硅层

162 TEOS层

163 低应力多晶硅层

17 浅槽

18 侧壁保护层

19 牺牲层

2 介质膜

21 连接孔

22 热沉结构

31 金属热偶臂

32 引线焊盘

41 第一深隔离槽

411 第一隔离槽

42 第二深隔离槽

421 第二隔离槽

5 加热元件

60 单晶硅-金属热偶对组

600 单晶硅-金属热偶对

601 单晶硅热偶臂

7 环境电阻元件

S1～S10 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图4至图13b。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1、图2及图13b所示，本发明提供一种热堆式气体质量流量传感器，包括：

衬底1，具有凹槽11，所述凹槽11开设于所述衬底1的上表面；

带类“非”字状槽的介质膜2，覆盖于所述凹槽11上方，且与所述衬底1相连接，所述介质膜2与所述衬底1共同围成一个隔热腔体111；

加热元件5，位于所述介质膜2下表面；

至少两个感测元件，位于所述介质膜2上，且设置于所述加热元件5的两侧呈对称分布，所述感测元件包括至少一组单晶硅-金属热偶对组60，所述单晶硅-金属热偶对组60包括若干个单晶硅-金属热偶对600，其中，所述单晶硅-金属热偶对600由悬挂于所述介质膜2下表面的单晶硅热偶臂601和位于所述介质膜2上表面的金属热偶臂31通过位于所述介质膜2上的连接孔21连接组成；

所述单晶硅热偶臂601的冷端与所述衬底1之间呈“三明治”状热沉结构22，即，从上往下，所述单晶硅热偶臂601的冷端与所述衬底1之间的结构为衬底1-中间介质层16-衬底1，从左往右，所述单晶硅热偶臂601的冷端与所述衬底1之间的结构为衬底1-中间介质层16-衬底1，通过所述热沉结构22实现所述单晶硅热偶臂601的冷端的三侧面与所述中间介质层16面与面接触，以及所述单晶硅热偶臂601的冷端的底面与所述衬底1面与面接触。

所述单晶硅热偶臂601的热端位于所述加热元件5的侧边，且所述单晶硅热偶臂601的热端与所述加热元件5之间通过所述介质膜2上的第一隔离槽411隔离，相邻两所述单晶硅-金属热偶对600之间通过所述介质膜2上的第二隔离槽421隔离。

具体地，在本实施例中，所述加热元件5可以为加热电阻。所述感测元件位于所述加热元件5的两侧，即上下游的位置，分别组成上、下游两个独立的热电堆检测电路，通过监测上、下游两个独立的热电堆检测电路之间的温度差异，从而得到电势差。其中，所述单晶硅-金属热偶对组60可以为一组或者两组以上，依实际需要设置，当单晶硅-金属热偶对组60为两组以上时，所述单晶硅-金属热偶对组60首尾相连，构成完整的检测线路。进一步地，所述单晶硅-金属热偶对组60可以包含任意个单晶硅-金属热偶对600，如5～80个，依实际需要设置，在此不做具体限制，本实施例中选择为20个。

具体地，所述介质膜2的尺寸为345μm×375μm×0.8μm，且构成的所述隔热腔体111的深度为50μm～70μm，优选为60μm。所述单晶硅-金属热偶对600采用P型单晶硅-金金属材料组成，上、下游两个独立的热电堆均有一组单晶硅-金属热偶对组60，且每组单晶硅-金属热偶对组60均有20个单晶硅-金属热偶对600，其中，单晶硅-金属热偶对600的尺寸均为144μm×3.0μm×0.5μm，所述介质膜2上具有2条平行排布的第一隔离槽411，21条平行排布的第二隔离槽421，所述第一隔离槽411的尺寸均为355μm×5.0μm，所述第二隔离槽421的尺寸均为129.5μm×5.0μm。

本发明通过在所述衬底1的上表面设置凹槽11，最后再通过设置于所述衬底1上的介质膜2形成一个隔热腔体，使相邻所述单晶硅-金属热偶对组60之间以及所述单晶硅-金属热偶对组60与所述衬底1之间物理隔开，即实现了单晶硅-金属热偶对600与衬底的物理隔离，减少了本发明的衬底散热，并且所述介质膜2上设置有所述第一隔离槽411及所述第二隔离槽421，有效防止热量在介质膜2之间的传递。另外，所述第一隔离槽411及所述第二隔离槽421设置于所述加热元件5与所述感测元件之间的所述介质膜2上，从而使两者通过空气相互隔离，减少热损耗，提高了传感器的灵敏度。

另外，本发明通过在单晶硅热偶臂601的冷端与衬底1之间设置热沉结构22，具体地，所述中间介质层16呈“梳齿状”，包覆每个所述单晶硅热偶臂601的冷端的三个侧面及底面，即所述单晶硅热偶臂601的冷端的三个侧面及底面通过所述中间介质层16与衬底实现面与面的接触。面与面之间的接触方式，增大了单晶硅热偶臂601冷端的散热性能，提高了单晶硅-金属热偶对冷端和热端之间的温差，从而缩短传感器的响应时间、提高传感器的量程范围。

作为示例，所述热堆式气体质量流量传感器还包括环境电阻元件7，设置于所述介质膜2下表面且位于所述隔热腔体111一侧的所述衬底1上。

作为示例，所述环境电阻元件7、所述加热元件5及所述单晶硅热偶臂601均为P型掺杂的单晶硅。本实施例中，选择所述P型掺杂的单晶硅为硼掺杂的单晶硅。较佳地，所述加热元件5沿<110>晶向延伸，所述环境电阻元件7沿<110>晶向延伸，所述单晶硅-金属热偶对600沿<211>晶向延伸。从而保证了本发明的传感器的结构可以适应尺寸的缩小，保证传感器的性能。

具体地，本发明还包括所述环境电阻元件7，环境的温度可以直接利用所述环境电阻元件7直接测量和补偿，从而可以消除气体温度波动对测量结果的影响，提高流量检测的精度。

作为示例，还包括若干个引线焊盘32，位于所述衬底1上，且设置于所述环境电阻元件7、所述加热元件5及所述感测元件的两端。

作为示例，所述金属热偶臂31位于所述单晶硅热偶臂601的正上方，所述金属热偶臂31与所述单晶硅热偶臂601之间通过所述介质膜2实现电学隔离。

作为示例，所述衬底1为(111)单晶硅衬底。

具体地，所述衬底1可以为单晶硅、多晶硅、金属衬底、有机衬底、PCB衬底等各种适于作为衬底的材料，本实施例中，采用(111)单晶硅衬底，进一步可以为N型(或P型)的(111)晶面的单面(或双面)抛光的硅片，其可以改善传统的硅片(如(100)硅片)的诸多缺陷，如由(100)硅片湿法腐蚀特性可知，介质膜面积与单晶硅背面掩膜开口区域面积比值很小，硅片厚度越大，芯片尺寸越大，成本越高，并且所述加热元件和热敏元件所在的梁式结构需要沿(110)晶向偏斜一定的夹角才能实现梁结构湿法腐蚀释放，这就导致了传感器后续安装定位比较困难。

作为示例，所述介质膜2为氮化硅介质膜，所述第一隔离槽411沿<110>晶向延伸，所述第二隔离槽421沿<211>晶向延伸。较佳地，所述介质膜2为低应力氮化硅介质膜。

作为示例，所述中间介质层16包括从外到内依次叠置的氮化硅层161、TEOS层162及低应力多晶硅层163。

如图1至图13b所示，本发明还提供一种热堆式气体质量流量传感器的制备方法，所述制备方法为本发明所述提供的热堆式气体质量流量传感器的制备方法，包括如下步骤：

如图3及图4所示，首先进行步骤S1，提供衬底1，并于所述衬底1上定义出加热元件区与感测元件区，再于所述衬底1上形成保护层13，其中，所述感测元件区位于所述加热元件区两侧，感测元件包括至少一组单晶硅-金属热偶对组60，所述单晶硅-金属热偶对组60包括若干个单晶硅-金属热偶对600，所述单晶硅-金属热偶对600由单晶硅热偶臂601与金属热偶臂31连接组成。

具体地，所述加热元件区用于形成加热元件5，所述感测元件区用于形成感测元件，所述感测元件位于所述加热元件5的两侧，即上下游的位置，分别组成上、下游两个独立的热电堆检测电路，通过监测上、下游两个独立的热电堆检测电路之间的温度差异，从而得到电势差。其中，所述单晶硅-金属热偶对组60可以为一组或者两组以上，依实际需要设置，当单晶硅-金属热偶对组60为两组以上时，所述单晶硅-金属热偶对组60首尾相连，构成完整的检测线路。进一步地，所述单晶硅-金属热偶对组60可以包含任意个单晶硅-金属热偶对600，如5～80个，依实际需要设置，在此不做具体限制，本实施例中选择为20个。

作为示例，所述衬底1为(111)单晶硅衬底。

作为示例，通过对所述衬底1进行高温处理，以在所述衬底1上形成热氧化硅材料保护层。所述保护层13的厚度为

作为示例，形成所述保护层13后还包括对所述加热元件区及所述感测元件区进行P型掺杂的步骤，形成P型掺杂区12。本实施例中，对所述加热元件区及所述感测元件区进行硼离子注入和硼主扩，使得硼离子注入区域的硼离子掺杂浓度为2.5×10¹⁹atoms/cm²，另外，还可以包括后续的环境电阻元件区。

如图3、图5a至图5d所示，接着进行步骤S2，刻蚀所述保护层13及所述衬底1以形成所述单晶硅热偶臂601冷端的结构释放槽14，并通过所述结构释放槽14于所述单晶硅热偶臂601冷端下方预设深度形成空隙层15。所述结构释放槽14呈“梳齿状”。

具体地，形成步骤S2中的所述空隙层15的具体步骤包括：

如图5b所示，步骤2-1)，于所述结构释放槽14侧壁形成钝化层141。

作为示例，采用反应离子深刻蚀(Deep-RIE)工艺刻蚀出深度约6μm的所述结构释放槽14，并采用低压力化学气相沉积工艺(LPCVD)沉积一层

的TEOS(正硅酸乙酯)钝化层141。

如图5c所示，步骤2-2)，沿形成有所述钝化层141的所述结构释放槽14底部继续刻蚀预设深度的所述衬底1。

作为示例，采用反应离子深刻蚀(Deep-RIE)工艺沿所述结构释放槽14底部继续往所述衬底1内部刻蚀1.0μm～2μm的深度。

如图5d所示，步骤2-3)，将步骤2-2)得到的结构放置于湿刻溶解中腐蚀，以腐蚀掉所述单晶硅热偶臂601冷端下方预设深度的所述衬底1，形成所述空隙层15。

作为示例，将步骤2-2)得到的结构放置于80℃、25％的TMAH(四甲基氢氧化铵)药液中腐蚀约0.5小时，腐蚀掉位于所述单晶硅热偶臂601的冷端下表面约1.0μm～2μm深度处的衬底1。

如图3及图6所示，接着进行步骤S3，于所述结构释放槽14及所述空隙层15中填充中间介质层16。

作为示例，所述中间介质层16包括从外到内依次叠置的氮化硅层161、TEOS层162及低应力多晶硅层163。较佳地，采用低压力化学气相沉积工艺于所述结构释放槽14及所述空隙层15中依次填充

的低应力氮化硅层、

的TEOS层及

的低应力多晶硅完全填满所述结构释放槽14及所述空隙层15，然后利用干法刻蚀工艺刻蚀掉所述衬底1表面多余的低应力氮化硅层、TEOS层及低应力多晶硅层。

如图3及图7所示，接着进行步骤S4，刻蚀所述衬底1以形成浅槽17，用于定义出所述加热元件5以及所述单晶硅热偶臂601所在的位置及尺寸。

作为示例，于所述P型掺杂区12，采用反应离子深刻蚀工艺分别沿<110>晶向和<211>晶向刻蚀出若干个所述浅槽17，刻蚀深度约为2μm。

如图3、图8a至图8c所示，接着进行步骤S5，于所述浅槽17侧壁形成侧壁保护层18，并于形成有所述侧壁保护层18的所述浅槽17内填充牺牲层19。

具体地，于所述浅槽17侧壁形成侧壁保护层18的具体步骤包括：

如图8a所示，步骤5-1)，于步骤S4得到的结构表面沉积侧壁保护材料层，所述侧壁保护材料层包括TEOS层。本实施例中，采用LPCVD工艺形成厚度为

的所述保护材料层。

如图8b所示，步骤5-2)，去除所述浅槽17底部及其周围的所述衬底1上的所述侧壁保护材料层，以形成位于所述浅槽17侧壁的侧壁保护层18。本实施例中，所述侧壁保护层18的材料为TEOS。

作为示例，采用LPCVD工艺形成一层厚度为

所述牺牲层19，所述牺牲层19填满所述浅槽17，然后采用反应离子刻蚀工艺刻蚀掉所述衬底1表面多余的牺牲层。本实施例中所述牺牲层19的材料为低应力多晶硅。

如图3及图9所示，接着进行步骤S6，去除衬底表面所述保护层13，并于所述衬底1上形成介质膜2。

作为示例，利用BOE腐蚀溶液或反应离子刻蚀工艺刻蚀掉所述衬底1表面的所述保护层13，然后采用LPCVD工艺于所述衬底表面沉积一层厚度为

的介质膜2。本实施例中，所述介质膜2的材料为低应力氮化硅。

如图3及图10所示，接着进行步骤S7，于所述介质膜2上形成连接孔21，所述连接孔21暴露出所述加热元件5的接触孔及所述单晶硅热偶臂601热端和冷端的接触孔。

如图3及图11所示，接着进行步骤S8，于步骤S7得到的结构的表面沉积金属层并对其图形化，以形成所述金属热偶臂31，并通过所述金属层实现所述单晶硅热偶臂601与所述金属热偶臂31的互连，另外，通过所述金属层形成所述加热元件5及所述感测元件的引线焊盘32。

作为示例，所述金属层的厚度为

所述金属层包括铬铂金金属层，其中铬的厚度为

铂的厚度为

金的厚度为

如图3、图12a至图12b所示，接着进行步骤S9，刻蚀所述介质膜2及所述衬底1以形成类“非”字状的释放槽，所述释放槽包括第一深隔离槽41及第二深隔离槽42。

作为示例，所述第一深隔离槽41沿<110>晶向延伸，所述第二深隔离槽42沿<211>晶向延伸，所述单晶硅热偶臂601的热端位于所述加热元件5的侧边，且所述单晶硅热偶臂601的热端与所述加热元件5之间通过所述介质膜2上的第一深隔离槽隔离41，相邻两所述单晶硅-金属热偶对60之间通过所述介质膜2上的第二深隔离槽隔离42。

具体地，形成所述释放槽的具体步骤为：

如图12a所示，步骤9-1)，刻蚀所述释放槽所在区域的所述介质膜2，形成第一隔离槽411及第二隔离槽421。

作为示例，采用反应离子刻蚀工艺在所述介质膜2刻蚀出“非”字状的所述第一隔离槽411及第二隔离槽421，所述第一隔离槽411沿<110>晶向，所述第二隔离槽421沿<211>晶向。

如图12b所示，步骤9-2)，沿所述释放槽所在区域继续刻蚀预设深度，以加深所述第一隔离槽411及第二隔离槽421的深度，形成所述释放槽的所述第一深隔离槽41及第二深隔离槽42。

如图3、图13a至图13b所示，接着进行步骤S10，以所述释放槽为窗口腐蚀部分所述衬底1形成隔热腔体111，以释放所述介质膜2、所述单晶硅热偶臂601及所述加热元件5，其中，所述介质膜2与所述衬底1相连接，并与所述衬底1共同围成所述隔热腔体111。

具体地，形成所述隔热腔体111的具体步骤为：

如图13a所示，步骤10-1)，将步骤S9得到的结构放置于TMAH湿刻溶液中腐蚀，以去除部分所述衬底1及所述牺牲层19。

作为示例，将步骤S9得到的结构放置在80℃、25％的TMAH药液中腐蚀约30分钟。

如图13b所示，步骤10-2)，采用BOE湿刻溶液去除所述侧壁保护层18。从而形成带“非”字状介质膜2、单晶硅热偶臂601及加热元件5以及位于其下方的所述隔热腔体结构。

综上所述，本发明提供一种热堆式气体质量流量传感器及其制备方法，所述传感器包括：衬底；与所述衬底相连接的带类“非”字状槽的介质膜，且所述介质膜与所述衬底共同围成一个隔热腔体；加热元件；至少两个感测元件，位于所述介质膜上，且设置于所述加热元件的两侧呈对称分布；所述单晶硅热偶臂的冷端与所述衬底之间呈“三明治”状热沉结构，通过所述热沉结构实现所述单晶硅热偶臂的冷端的三侧面及底面通过所述中间介质层与衬底实现面与面接触；所述单晶硅热偶臂的热端位于所述加热元件的侧边，且所述单晶硅热偶臂的热端与所述加热元件之间通过所述介质膜上的第一隔离槽隔离，相邻两所述单晶硅-金属热偶对之间通过所述介质膜上的第二隔离槽隔离。本发明通过引入类“非”字状介质膜以及其下表面的单晶硅热偶臂的结构，即所述单晶硅热偶臂的热端悬空于隔热腔体上，单晶硅热偶臂的冷端与中间介质层及衬底面面接触的热沉结构，所述隔热腔体，实现了单晶硅-金属热偶对与衬底的物理隔离，减少了本发明的衬底散热，所述类“非”字状介质膜有效防止热量在介质膜之间的传递，提高了传感器的灵敏度，单晶硅热偶臂的冷端与中间介质层及衬底面面接触的热沉结构，增大了单晶硅热偶臂冷端的散热性能，提高了单晶硅-金属热偶对冷端和热端之间的温差，从而缩短传感器的响应时间、提高传感器的量程范围；本发明的整个流量传感器采用单硅片单面体硅微机械加工技术制作，因此芯片尺寸小，成本低，适于大批量生产。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (18)

1.一种热堆式气体质量流量传感器，其特征在于，所述传感器至少包括：

衬底，具有凹槽，所述凹槽开设于所述衬底的上表面；

带类“非”字状槽的介质膜，覆盖于所述凹槽上方，且与所述衬底相连接，所述介质膜与所述衬底共同围成一个隔热腔体；

加热元件，位于所述介质膜下表面；

至少两个感测元件，位于所述介质膜上，且设置于所述加热元件的两侧呈对称分布，所述感测元件包括至少一组单晶硅-金属热偶对组，所述单晶硅-金属热偶对组包括若干个单晶硅-金属热偶对，其中，所述单晶硅-金属热偶对由悬挂于所述介质膜下表面的单晶硅热偶臂和位于所述介质膜上表面的金属热偶臂通过位于所述介质膜上的连接孔连接组成；

所述单晶硅热偶臂的冷端与所述衬底之间呈“三明治”状热沉结构，即，从上往下，所述单晶硅热偶臂的冷端与所述衬底之间的结构为衬底-中间介质层-衬底，从左往右，所述单晶硅热偶臂的冷端与所述衬底之间的结构为衬底-中间介质层-衬底，通过所述热沉结构实现所述单晶硅热偶臂的冷端的三侧面及底面通过中间介质层与单晶硅衬底实现面与面接触；

所述单晶硅热偶臂的热端位于所述加热元件的侧边，且所述单晶硅热偶臂的热端与所述加热元件之间通过所述介质膜上的第一隔离槽隔离，相邻两所述单晶硅-金属热偶对之间通过所述介质膜上的第二隔离槽隔离。

2.根据权利要求1所述的热堆式气体质量流量传感器，其特征在于：还包括环境电阻元件，设置于所述介质膜下表面且位于所述隔热腔体一侧的所述衬底上。

3.根据权利要求2所述的热堆式气体质量流量传感器，其特征在于：还包括若干个引线焊盘，位于所述衬底上，且设置于所述环境电阻元件、所述加热元件及所述感测元件的两端。

4.根据权利要求2所述的热堆式气体质量流量传感器，其特征在于：所述环境电阻元件、所述加热元件及所述单晶硅热偶臂均为P型掺杂的单晶硅。

5.根据权利要求4所述的热堆式气体质量流量传感器，其特征在于：所述加热元件沿<110>晶向延伸，所述环境电阻元件沿<110>晶向延伸，所述单晶硅-金属热偶对沿<211>晶向延伸。

6.根据权利要求5所述的热堆式气体质量流量传感器，其特征在于：所述金属热偶臂位于所述单晶硅热偶臂的正上方，所述金属热偶臂与所述单晶硅热偶臂之间通过所述介质膜实现电学隔离。

7.根据权利要求1所述的热堆式气体质量流量传感器，其特征在于：所述衬底为(111)单晶硅衬底。

8.根据权利要求1所述的热堆式气体质量流量传感器，其特征在于：所述介质膜为氮化硅介质膜，所述第一隔离槽沿<110>晶向延伸，所述第二隔离槽沿<211>晶向延伸。

9.根据权利要求1所述的热堆式气体质量流量传感器，其特征在于：所述中间介质层包括从外到内依次叠置的氮化硅层、TEOS层及低应力多晶硅层。

10.一种如权利要求1～9任意一项所述的热堆式气体质量流量传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)提供衬底，并于所述衬底上定义出加热元件区与感测元件区，再于所述衬底上形成保护层，其中，所述感测元件区位于所述加热元件区两侧，感测元件包括至少一组单晶硅-金属热偶对组，所述单晶硅-金属热偶对组包括若干个单晶硅-金属热偶对，所述单晶硅-金属热偶对由单晶硅热偶臂与金属热偶臂连接组成；

2)刻蚀所述保护层及所述衬底以形成所述单晶硅热偶臂冷端的结构释放槽，并通过所述结构释放槽于所述单晶硅热偶臂冷端下方预设深度形成空隙层；

3)于所述结构释放槽及所述空隙层中填充中间介质层；

4)刻蚀所述衬底以形成浅槽，用于定义出所述加热元件以及所述单晶硅热偶臂所在的位置及尺寸；

5)于所述浅槽侧壁形成侧壁保护层，并于形成有所述侧壁保护层的所述浅槽内填充牺牲层；

6)去除衬底表面所述保护层，并于所述衬底上形成介质膜；

7)于所述介质膜上形成连接孔，所述连接孔暴露出所述加热元件的接触孔及所述单晶硅热偶臂热端和冷端的接触孔；

8)于步骤7)得到的结构的表面沉积金属层并对其图形化，以形成所述金属热偶臂，并通过所述金属层实现所述单晶硅热偶臂与所述金属热偶臂的互连，另外，通过所述金属层形成所述加热元件及所述感测元件的引线焊盘；

9)刻蚀所述介质膜及所述衬底以形成类“非”字状的释放槽，所述释放槽包括第一深隔离槽及第二深隔离槽；

10)以所述释放槽为窗口腐蚀部分所述衬底形成隔热腔体，以释放所述介质膜、所述单晶硅热偶臂及所述加热元件，其中，所述介质膜与所述衬底相连接，并与所述衬底共同围成所述隔热腔体。

11.根据权利要求10所述的热堆式气体质量流量传感器的制备方法，其特征在于：步骤1)形成所述保护层后还包括对所述加热元件区及所述感测元件区进行P型掺杂的步骤。

12.根据权利要求10所述的热堆式气体质量流量传感器的制备方法，其特征在于：步骤2)中，通过所述结构释放槽于所述单晶硅热偶臂冷端下方预设深度形成空隙层的具体步骤为：

2-1)于所述结构释放槽侧壁形成钝化层；

2-2)沿形成有所述钝化层的所述结构释放槽底部继续刻蚀预设深度的所述衬底；

2-3)将步骤2-2)得到的结构放置于湿刻溶解中腐蚀，以腐蚀掉所述单晶硅热偶臂冷端下方预设深度的所述衬底，形成所述空隙层。

13.根据权利要求12所述的热堆式气体质量流量传感器的制备方法，其特征在于：所述中间介质层包括从外到内依次叠置的氮化硅层、TEOS层及低应力多晶硅层。

14.根据权利要求10所述的热堆式气体质量流量传感器的制备方法，其特征在于：步骤5)中，于所述浅槽侧壁形成侧壁保护层的具体步骤为：

5-1)于步骤4)得到的结构表面沉积侧壁保护材料层，所述侧壁保护材料层包括TEOS层；

5-2)去除所述浅槽底部及其周围的所述衬底上的所述侧壁保护材料层，以形成位于所述浅槽侧壁的侧壁保护层。

15.根据权利要求10所述的热堆式气体质量流量传感器的制备方法，其特征在于：步骤9)中，形成所述释放槽的具体步骤为：

9-1)刻蚀所述释放槽所在区域的所述介质膜，形成第一隔离槽及第二隔离槽；

9-2)沿所述释放槽所在区域继续刻蚀预设深度，以加深所述第一隔离槽及第二隔离槽的深度，形成所述释放槽的所述第一深隔离槽及第二深隔离槽。

16.根据权利要求10所述的热堆式气体质量流量传感器的制备方法，其特征在于：步骤10中)，形成所述隔热腔体的具体步骤为：

10-1)将步骤9)得到的结构放置于TMAH湿刻溶液中腐蚀，以去除部分所述衬底及所述牺牲层；

10-2)采用BOE湿刻溶液去除所述侧壁保护层。

17.根据权利要求10所述的热堆式气体质量流量传感器的制备方法，其特征在于：所述衬底为(111)单晶硅衬底。

18.根据权利要求10所述的热堆式气体质量流量传感器的制备方法，其特征在于：所述介质膜为氮化硅介质膜，所述第一深隔离槽沿<110>晶向延伸，所述第二深隔离槽沿<211>晶向延伸，所述单晶硅热偶臂的热端位于所述加热元件的侧边，且所述单晶硅热偶臂的热端与所述加热元件之间通过所述介质膜上的第一深隔离槽隔离，相邻两所述单晶硅-金属热偶对之间通过所述介质膜上的第二深隔离槽隔离。

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