CN112683348B

CN112683348B - 一种mems电容式流量传感器及其制备方法

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Publication number: CN112683348B
Application number: CN202110289533.6A
Authority: CN
Inventors: 李维平; 兰之康
Original assignee: Nanjing Gaohua Technology Co ltd
Current assignee: Nanjing Gaohua Technology Co ltd
Priority date: 2021-03-18
Filing date: 2021-03-18
Publication date: 2021-06-01
Anticipated expiration: 2041-03-18
Also published as: CN112683348A

Abstract

本发明提出一种MEMS电容式流量传感器，包括：衬底；绝缘层，所述绝缘层设置在所述衬底上；第一电极、第二电极，所述第一电极、第二电极间隔设置在所述绝缘层上；微流道，所述微流道设置在所述绝缘层上；其中，所述微流道包括弧形的底壁，所述底壁包括第一介质层、第二介质层，以及夹设在所述第一介质层、所述第二介质层之间的第三电极；所述第三电极分别与所述第一电极、第二电极构成所述MEMS电容式流量传感器的第一敏感电容、第二敏感电容。本发明的传感器具有高线性度、高灵敏度的优点；且可采用MEMS加工工艺进行高精度、高一致性、低成本、批量化和微型化的制备。

Description

一种MEMS电容式流量传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及微机电系统（MEMS）领域，具体涉及一种MEMS电容式流量传感器及其制备方法。

背景技术

传统的流量传感器通常包括应变式流量传感器和涡轮式流量传感器，通常存在体积大，成本高，精度低等缺点。近几年来，伴随MEMS技术的蓬勃发展，涌现出许多MEMS流量传感器，相比于传统的流量传感器，MEMS流量传感器具有灵敏度高、精度高、体积小及成本低等优点。常见MEMS流量传感器包括压阻式MEMS流量传感器、压电式MEMS流量传感器和电容式MEMS流量传感器等。其中压阻式MEMS流量传感器线性度高，但是受环境温度影响较大；压电式MEMS流量传感器结构简单，但与周围介质的阻抗匹配较差；电容式MEMS流量传感器受环境影响较小，与周围介质的阻抗匹配较好，但普遍存在线性度差的问题。

发明内容

为了解决本领域流量传感器存在的一些问题，本发明提出一种MEMS电容式流量传感器及其制备方法，它具有线性度高、灵敏度高、结构和制备工艺简单等优点。

具体地，本发明所提出的技术方案如下：

一种MEMS电容式流量传感器，所述MEMS电容式流量传感器包括：

衬底；

绝缘层，所述绝缘层设置在所述衬底上；

第一电极、第二电极，所述第一电极、第二电极间隔设置在所述绝缘层上；

微流道，所述微流道设置在所述绝缘层上；

其中，所述微流道包括弧形的底壁，所述底壁包括第一介质层、第二介质层，以及夹设在所述第一介质层、所述第二介质层之间的第三电极；

所述第三电极分别与所述第一电极、第二电极构成所述MEMS电容式流量传感器的第一敏感电容、第二敏感电容。

可选地，还包括设置在所述微流道上的盖板，所述盖板封闭所述微流道。

可选地，所述第一介质层与所述第二介质层的材料及厚度相同。

可选地，所述第一电极与所述第二电极对称设置在所述微流道的两侧。

可选地，所述盖板为电绝缘材料。

本发明还提出一种MEMS电容式流量传感器的制备方法，包括以下步骤：

选择衬底，

在所述衬底上形成绝缘层；

在所述绝缘层上形成间隔设置的第一电极、第二电极；

在所述绝缘层上形成牺牲层；

刻蚀所述牺牲层，形成微流道的弧形形状；

在所述牺牲层的上表面形成第一介质层；

在所述第一介质层上形成第三电极层；

在所述第三电极层上形成第二介质层；

去除所述牺牲层，释放所述微流道。

可选地，还包括在所述微流道上设置盖板的步骤。

可选地，所述盖板为电绝缘材料

可选地，所述牺牲层为铝牺牲层。

可选地，所述形成微流道的弧形形状为刻蚀所述牺牲层，在所述牺牲层上形成半圆形的凹槽。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提出一种MEMS电容式流量传感器主要依赖电容电极间的相对面积变化来响应流体流量的变化，相比于现有的通过电极间距变化来响应流体流量变化的MEMS电容式流量传感器，本发明的传感器具有高线性度的优点；此外，本发明的电容式流量传感器包括两个敏感电容，这有助于提高传感器的灵敏度。

2、本发明的一种MEMS电容式流量传感器可采用MEMS加工工艺进行高精度、高一致性、低成本、批量化和微型化的制备。

附图说明

图1是本发明其中一实施例的一种MEMS电容式流量传感器的剖面结构示意图；

图2是本发明其中一实施例的一种MEMS电容式流量传感器的制备方法流程示意图；

其中：1为第三电极，2为第一介质层，3为第一电极，4为第二电极，5为绝缘层，6为衬底，7为盖板，8为第二介质层。

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，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

实施例1

参见图1，本发明提出一种MEMS电容式流量传感器，该MEMS电容式流量传感器包括：衬底6；绝缘层5，该绝缘层5设置在所述衬底6上；第一电极3、第二电极4设置在所述绝缘层5上；微流道设置在绝缘层5上，优选地，第一电极3和第二电极4对称设置在所述微流道的两侧。

其中，所述微流道包括弧形的底壁，所述底壁包括第一介质层2、第二介质层8，以及夹设在所述第一介质层2、所述第二介质层8之间的第三电极1；

所述第三电极1分别与所述第一电极3、第二电极4构成所述MEMS电容式流量传感器的第一敏感电容、第二敏感电容。

可选地，还包括设置在所述微流道上的盖板7，所述盖板7封闭所述微流道。利用盖板7封闭微流道有效防止流体的溢出。

可选地，该衬底6为单晶硅或玻璃，厚度在200μm-2000μm。

可选地，所述绝缘层5设置在衬底6的上表面，绝缘层5的材料例如为二氧化硅或氮化硅的至少一种，厚度为100nm -1000nm；绝缘层5用于实现第一电极3、第二电极4与衬底6的电隔离。

进一步地，所述第一电极3、第二电极4为导电材料，优选为Al、Ti、Au、Cu、Pt的至少一种，厚度为50nm-200nm；第一电极3、第二电极4作为MEMS电容式流量传感器的固定电极。

进一步地，弧形微流道为半圆筒形，第一介质层2为微流道的外层介质层，该介质层例如为二氧化硅或氮化硅中的至少一种，厚度为0.5μm -50μm，高度为1μm -100μm。

在所述第一介质层2的内表面形成第三电极1，第三电极1的材料为金属，优选为Al、Ti、Au、Cu、Pt的至少一种，厚度为50 nm -500nm。

第二介质层8形成在第三电极1的上表面，即弧形微流道的内侧，第二介质层8为二氧化硅或氮化硅的至少一种，厚度为100 nm -1000nm；第二介质层8用于实现流体与第三电极1的电隔离。

进一步地，第二介质层8的材料与厚度与第一介质层2相同，这样有助于通过应力补偿效应，提升器件的可靠性能。

进一步地，所述盖板7位于第一介质层2的上方，盖板7的材料为为刚性或柔性的电绝缘材料，包括玻璃、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷（PDMS）的至少一种，厚度为10μm -200μm；所述盖板7与微流道构成腔体，流体在所述腔体中流动。

本发明所提出的一种MEMS电容式流量传感器的工作原理如下：

第三电极1分别与第一电极3和第二电极4构成MEMS电容式流量传感器的两个敏感电容，两个敏感电容处于并联连接。在流体作用下，半圆筒形的第二介质8表面与流体摩擦产生阻力，导致微流道结构、即第一介质层2、第三电极1和第二介质层8产生形变，导致第三电极1向下弯曲，这会导致第三电极1与第一电极3和第二电极4的有效相对面积发生变化，进而引起电容值发生变化，流体流速越快，产生的阻力越大，第三电极1的形变量越大，其与第一电极2和第二电极3的有效相对面积也越大，相应的电容值也越大。由上可知，本发明的MEMS电容式流量传感器主要通过调整电极间的有效相对面积来响应流速的变化。

实施例2

参见图2，本发明还提出一种MEMS电容式流量传感器的制备方法，包括以下步骤：

S1：选择衬底，

S2：在所述衬底上形成绝缘层；

S3：在所述绝缘层上形成间隔设置的第一电极、第二电极；

S4：在所述绝缘层上形成牺牲层；

S5：刻蚀所述牺牲层，形成微流道的弧形形状；

S6：在所述牺牲层的上表面形成第一介质层；

S7：在所述第一介质层上形成第三电极层；

S8：在所述第三电极层上形成第二介质层；

S9：去除所述牺牲层，释放所述微流道。

其中，具体地：

选择衬底，例如是选用500μm厚的N型（100）单晶硅片作为衬底6，采用等离子体化学气相沉积（PECVD）在衬底6的上表面形成约200nm的二氧化硅作为绝缘层5；当然，绝缘层5的材质也可以包括本领域其它适用的材质，例如氮化硅等。

通过磁控溅射和剥离技术制备约100nm的Pt，分别作为第一电极3和第二电极4。

例如采用等离子体化学气相沉积（PECVD）技术在绝缘层5、第一电极3和第二电极4的上表面形成约2μm厚的Al牺牲层，并通过光刻以及H₃PO₄溶液各向同性湿法刻蚀，在Al牺牲层中形成第一介质层2所需的半圆筒形状；

利用PECVD在Al牺牲层上表面淀积一层约3μm厚的低应力氮化硅，为形成第一介质层2做准备；

通过磁控溅射在低应力氮化硅上表面形成约100nm的Pt，为形成第三电极1做准备；

利用PECVD在Pt上表面淀积一层约3μm厚的低应力氮化硅，为形成第二介质层8做准备；

使用H₃PO₄溶液选择性去除Al牺牲层及其附着在Al牺牲层上方的低应力氮化硅、Pt及低应力氮化硅复合薄膜，形成弧形叠层结构第一介质层2、第三电极1和第二介质层8；

使用粘结剂键合的方式在第一介质层2上表面设置一层约20μm厚的聚酰亚胺，形成盖板7，最终完成器件的制备。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明的一种MEMS电容式流量传感器主要依赖电容电极间的相对面积变化来响应流体流量的变化，相比于现有的通过电极间距变化来响应流体流量变化的MEMS电容式流量传感器，本发明的传感器具有高线性度的优点；此外，本发明的电容式流量传感器包括两个敏感电容，这有助于提高传感器的灵敏度。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims

1.一种MEMS电容式流量传感器，其特征在于，所述MEMS电容式流量传感器包括：

衬底；

绝缘层，所述绝缘层设置在所述衬底上；

微流道，所述微流道设置在所述绝缘层上；

其中，所述微流道包括弧形的底壁，所述底壁包括第一介质层、第二介质层，以及夹设在所述第一介质层、所述第二介质层之间的第三电极，所述弧形的底壁在流体作用下产生弯曲；

2.根据权利要求1所述的MEMS电容式流量传感器，其特征在于，还包括设置在所述微流道上的盖板，所述盖板封闭所述微流道。

3.根据权利要求1或2所述的MEMS电容式流量传感器，其特征在于，所述第一介质层与所述第二介质层的材料及厚度相同。

4.根据权利要求1所述的MEMS电容式流量传感器，其特征在于，所述第一电极与所述第二电极对称设置在所述微流道的两侧。

5.根据权利要求2所述的MEMS电容式流量传感器，其特征在于，所述盖板为电绝缘材料。

6.一种MEMS电容式流量传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

选择衬底，

在所述衬底上形成绝缘层；

在所述绝缘层上形成间隔设置的第一电极、第二电极；

在所述绝缘层上形成牺牲层；

刻蚀所述牺牲层，形成微流道的弧形形状；

在所述牺牲层的上表面形成第一介质层；

在所述第一介质层上形成第三电极层；

在所述第三电极层上形成第二介质层；

去除所述牺牲层，释放所述微流道；其中，所述微流道具有弧形的底壁，所述底壁包括第一介质层、第二介质层，以及夹设在所述第一介质层、所述第二介质层之间的第三电极，所述弧形的底壁在流体作用下产生弯曲；所述第三电极分别与所述第一电极、第二电极构成所述MEMS电容式流量传感器的第一敏感电容、第二敏感电容。

7.根据权利要求6所述的MEMS电容式流量传感器的制备方法，其特征在于，还包括在所述微流道上设置盖板的步骤。

8.根据权利要求7所述的MEMS电容式流量传感器的制备方法，其特征在于，所述盖板为电绝缘材料。

9.根据权利要求6或7所述的MEMS电容式流量传感器的制备方法，其特征在于，所述牺牲层为铝牺牲层。

10.根据权利要求6或7所述的MEMS电容式流量传感器的制备方法，其特征在于，所述形成微流道的弧形形状为刻蚀所述牺牲层，在所述牺牲层上形成半圆形的凹槽。