CN113049053B - 一种高性能mems流量传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能MEMS流量传感器及其制备方法，该流量传感器包括：SOI衬底，包括底层硅、埋氧层及顶层硅；腔体，包括第一腔体和第二腔体，均沿上下向贯穿底层硅；敏感材料层，位于所述埋氧层上，由部分所述顶层硅形成，包括温度敏感元件、热电堆、加热器及压力敏感元件；绝缘介质层，覆盖所述敏感材料层，且局部刻蚀出接触孔；金属层，部分金属层通过所述接触孔连接所述敏感材料层。本发明采用具有较大塞贝克系数的P型/N型单晶硅作为热电堆材料，可有效提高器件的灵敏度；此外，本发明在常规MEMS流量传感器上集成制造了温度敏感单元和压力敏感单元，以便在不增设温度和压力传感器的前提下对流量的测量结果进行补偿，提高器件的检测精度。
Description
技术领域
本发明属于流量测量技术领域，特别涉及一种高性能MEMS流量传感器及其制备方法。
背景技术
流量测量是工业生产和科学研究的基本需求。流量传感器种类繁多，其中，基于MEMS技术制作的热温差式流量传感器因具有结构简单、尺寸小、精度高、响应快、功耗低等诸多优点而得到广泛应用。
MEMS热温差式流量传感器主要由加热器和对称分布在其上下游的热电堆(或热敏电阻)组成。加热器提供一定的功率以使器件表面温度高于环境温度，当无气流时，表面温度以加热器为中心呈正态分布，上下游热电堆具有相同的电信号；当有气流时，气体分子转移热量使表面温度分布发生偏移，上下游热电堆的电信号随之产生差异，利用这种差异就可推算出气体流量。灵敏度是流量传感器最重要的指标之一，为提高流量传感器的灵敏度，人们主要发展了三种技术方案：采用热导率较小的悬浮膜结构来减小基底的热耗散；采用具有更高塞贝克系数的热电材料；采用更大的面积或更密的排列方式来增加热电偶的对数。然而，随着应用的不断推广和深入，流量传感器的灵敏度亟需得到进一步提高。
此外，测量过程中，气体温度、压力的变化都会使其热平衡常数发生变化，进而引入测量误差。现有的方法通常选择在流量传感器前后增设温度传感器和压力传感器来对气体的温度、压力进行测量，进而通过处理电路对流量的测量结果进行补偿。这种方法虽然有效，但会大大增加传感器的数量、体积和使用成本。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种高性能MEMS流量传感器及其制备方法，以在满足小型化、低成本和批量生产要求的同时，有效提高器件的灵敏度和检测精度。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种高性能MEMS流量传感器，包括：
SOI衬底，包括底层硅、埋氧层及顶层硅；
腔体，包括第一腔体和第二腔体，均沿上下向贯穿底层硅；
敏感材料层，位于所述埋氧层上，由部分所述顶层硅形成，包括温度敏感元件、热电堆、加热器及压力敏感元件；所述温度敏感元件、加热器和压力敏感元件的材料为P型单晶硅或N型单晶硅；所述热电堆由P型单晶硅和N型单晶硅两种材料交替连接形成；
绝缘介质层，覆盖所述敏感材料层，且局部刻蚀出接触孔；
金属层，部分金属层通过所述接触孔连接所述敏感材料层。
上述方案中，所述热电堆的数量为两个，且对称分布在加热器的两侧，所述热电堆的热端以及加热器位于第一腔体的上方，所述热电堆的冷端位于底层硅上方。
上述方案中，所述压力敏感元件的数量为四个，且形成惠斯通电桥结构，压力敏感元件位于第二腔体的上方。
上述方案中，所述绝缘介质层的材料为氧化硅、氮化硅中的一种或两种组合。
上述方案中，所述接触孔的形状为圆形、矩形或十字花形，所述第一腔体和第二腔体的截面形状为矩形或梯形。
上述方案中，所述金属层的材料为钛、钨、铬、铂、铝、金中的一种或多种组合。
一种高性能MEMS流量传感器的制备方法，包括如下步骤：
S1、提供一具有底层硅、埋氧层和顶层硅的SOI衬底，并对顶层硅进行选择性掺杂；
S2、去除顶层硅未掺杂的部分，得到敏感材料层；
S3、于所述敏感材料层上形成绝缘介质层，并在绝缘介质层上局部刻蚀出接触孔；
S4、于所述绝缘介质层上形成金属层，部分金属层通过接触孔连接所述敏感材料层；
S5、由底层硅的下表面向内进行释放，形成贯穿底层硅的第一腔体和第二腔体。
通过上述技术方案，本发明提供的高性能MEMS流量传感器及其制作方法，具有以下有益效果：
1、本发明基于MEMS技术制造的MEMS流量传感器，集成度高且工艺兼容性强，制备过程简单，满足小型化、低成本和批量生产的要求；
2、本发明的MEMS流量传感器采用P型/N型单晶硅作为热电堆材料，相对于常见的P型/N型多晶硅，具有更高的塞贝克系数，因此可有效提高器件的灵敏度；
3、本发明在MEMS流量传感器上集成制造了温度敏感单元和压力敏感单元，以便利用温度值和压力值对流量的测量结果进行补偿，提高了器件的检测精度。
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。
图1为本发明实施例所公开的高性能MEMS流量传感器的立体结构示意图；
图2为本发明实施例所公开的高性能MEMS流量传感器的制作方法流程图；
图3为本发明实施例所公开的制作方法中步骤S1制得结构的剖面结构示意图；
图4为本发明实施例所公开的制作方法中步骤S2制得结构的剖面结构示意图；
图5为本发明实施例所公开的制作方法中步骤S3制得结构的剖面结构示意图；
图6为本发明实施例所公开的制作方法中步骤S4制得结构的剖面结构示意图；
图7为本发明实施例所公开的制作方法中步骤S5制得结构的剖面结构示意图；
图中，1、SOI衬底；101、底层硅；102、埋氧层；103、顶层硅；2、腔体；201、第一腔体；202、第二腔体；3、敏感材料层；301、温度敏感元件；302、热电堆；303、加热器；304、压力敏感元件；4、绝缘介质层；401、接触孔；5、金属层。
具体实施方式
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、完整地描述。
请参阅图1及图7，本发明提供一种高性能MEMS流量传感器，包括：
SOI衬底1，包括底层硅101、埋氧层102及顶层硅103；
腔体2，包括第一腔体201和第二腔体202，均沿上下向贯穿底层硅101；
敏感材料层3，位于埋氧层102上，由部分顶层硅103形成，包括温度敏感元件301、热电堆302，加热器303及压力敏感元件304；
绝缘介质层4，覆盖敏感材料层3，且局部刻蚀出接触孔401；
金属层5，部分金属层5通过接触孔401连接敏感材料层3。
需要说明的是，SOI衬底1中，底层硅101和顶层硅103的材料均为单晶硅，埋氧层102的材料为氧化硅。
具体地，腔体2的截面形状包括但不限于矩形、梯形的一种；在本发明的实施例中，腔体2的截面形状均为矩形。
需要说明的是，热电堆302的数量为两个，且对称分布在加热器303的两侧，热电堆302的热端和加热器303位于第一腔体201的上方，热电堆302的冷端位于底层硅101的上方。压力敏感元件304的数量为四个，且形成惠斯通电桥结构，压力敏感元件304位于第二腔体202的上方。
需要说明的是，第一腔体201起到隔热的作用，即使热电堆302的热端及加热器303与底层硅103隔离，从而减少热量损失，并在热电堆302的热端和冷端之间形成温差；第二腔体202将于后期封装后形成真空腔，有利于在压力敏感元件304上下两侧产生压差。
具体地，温度敏感元件301、加热器303和压力敏感元件304的材料包括但不限于P型单晶硅、N型单晶硅的一种；在本发明的实施例中，温度敏感元件301和加热器303和压力敏感元件304的材料均为P型单晶硅。
具体地，热电堆302由P型单晶硅和N型单晶硅两种材料交替连接形成。相对于常见的多晶硅材料，本发明实施例采用单晶硅材料形成的热电堆具有更大的塞贝克系数，因此有利于提高传感器的灵敏度。
具体地，绝缘介质层4的材料包括但不限于氧化硅、氮化硅的一种或两种组合；在本发明的实施例中，绝缘介质层4的材料为氧化硅。
具体地，接触孔401的形状包括但不限于圆形、矩形及十字花形的一种；在本发明的实施例中，接触孔401的形状为矩形。
具体地，金属层5的材料为钛、钨、铬、铂、铝、金中的一种或多种组合；在本发明的实施例中，金属层5的材料为铬/金。
需要说明的是，温度敏感元件301所在的区域构成本发明实施例的温度敏感单元，热电堆302、加热器303所在的区域构成本发明实施例的流量测量主体单元，压力敏感元件304所在的区域构成本发明实施例的压力敏感单元。
本发明还提供上述高性能MEMS流量传感器实施例的制作方法，如图2所示，包括如下步骤：
S1、提供一具有底层硅101、埋氧层102和顶层硅103的SOI衬底1，并对顶层硅103进行选择性掺杂，如图3所示；
需要说明的是，SOI衬底1中，底层硅101和顶层硅103的材料均为单晶硅，埋氧层102的材料为氧化硅。
具体地，选择性掺杂的具体步骤为：采用离子注入法通过光刻窗口对顶层硅103进行硼或磷掺杂；利用快速退火炉进行退火，形成P型单晶硅或N型单晶硅。
S2、去除顶层硅103未掺杂的部分，形成敏感材料层3，如图4所示；
具体地，采用深反应离子刻蚀法去除顶层硅103未掺杂的部分，形成敏感材料层3，敏感材料层3包括温度敏感元件301、热电堆302，加热器303及压力敏感元件304；
需要说明的是，热电堆302的数量为两个，且对称分布在加热器303的两侧；压力敏感元件304的数量为四个，且形成惠斯通电桥结构。
具体地，温度敏感元件301、加热器303和压力敏感元件304的材料包括但不限于P型单晶硅、N型单晶硅的一种；在本发明的实施例中，温度敏感元件301、加热器303和压力敏感元件304的材料均为P型单晶硅。
具体地，热电堆302由两种材料交替连接形成，两种材料采用P型单晶硅/N型单晶硅的组合。相对于常见的多晶硅材料，本发明实施例采用单晶硅材料形成的热电堆具有更大的塞贝克系数，因此有利于提高传感器的灵敏度。
S3、于敏感材料层3上形成绝缘介质层4，并局部刻蚀出接触孔401，如图5所示；
具体地，绝缘介质层4的材料包括但不限于氧化硅、氮化硅的一种或两种组合，其中，氧化硅可通过氧化、低压力化学气相沉积、等离子体化学气相沉积的方法形成，氮化硅可通过低压力化学气相沉积、等离子体化学气相沉积的方法形成；在本发明的实施例中，绝缘介质层4的材料为氧化硅，采用热氧化的方法形成。
具体地，可采用等离子刻蚀、离子束刻蚀、反应离子刻蚀等方法形成接触孔401，其形状包括但不限于圆形、矩形及十字花形的一种；在本发明的实施例中，采用反应离子刻蚀的方法形成矩形的接触孔401。
S4、形成金属层5，部分金属层5通过接触孔401连接敏感材料层3，如图6所示；
具体地，金属层5的材料为钛、钨、铬、铂、铝、金中的一种或多种组合，通过剥离工艺形成，或通过先溅射或蒸镀后刻蚀的方法形成；在本发明的实施例中，金属层5的材料为铬/金，通过剥离工艺形成。
具体地，剥离工艺的步骤为：喷胶；光刻定义出金属层5的图形；溅射铬/金；丙酮超声去胶。
S5、由底层硅101的下表面向内进行释放，形成贯穿底层硅101的腔体2，如图7所示；
需要说明的是，腔体2包括第一腔体201和第二腔体202，其中，第一腔体201位于部分热电堆302及加热器303的下方，第二腔体202位于部分压力敏感元件304的下方。
具体地，腔体2的截面形状包括但不限于矩形、梯形的一种；在本发明的实施例中，腔体2的截面形状均为矩形。
具体地，可采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方法对底层硅101进行释放，形成腔体2；在本发明的实施例中，采用干法刻蚀的方法形成腔体2。
需要说明的是，温度敏感元件301所在的区域构成本发明实施例的温度敏感单元，热电堆302、加热器303所在的区域构成本发明实施例的流量测量主体单元，压力敏感元件304所在的区域构成本发明实施例的压力敏感单元。
本发明基于MEMS技术制造的MEMS流量传感器，集成度高且工艺兼容性强，制备过程简单，满足小型化、低成本和批量生产的要求。此外，本发明的MEMS流量传感器采用P型/N型单晶硅作为热电偶材料，相对于常见的P型/N型多晶硅，具有更高的塞贝克系数，可有效提高器件的灵敏度；且本发明在MEMS流量传感器上集成制造了温度敏感单元和压力敏感单元，以便利用温度值和压力值对流量的测量结果进行补偿，从而提高器件的检测精度。
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。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (6)
1.一种高性能MEMS流量传感器的制备方法，其特征在于，该流量传感器包括：
SOI衬底，包括底层硅、埋氧层及顶层硅；
腔体，包括第一腔体和第二腔体，均沿上下向贯穿底层硅；
敏感材料层，位于所述埋氧层上，由部分所述顶层硅形成，包括温度敏感元件、热电堆、加热器及压力敏感元件；所述温度敏感元件、加热器和压力敏感元件的材料为P型单晶硅或N型单晶硅；所述热电堆由P型单晶硅和N型单晶硅两种材料交替连接形成；
绝缘介质层，覆盖所述敏感材料层，且局部刻蚀出接触孔；
金属层，部分金属层通过所述接触孔连接所述敏感材料层；
制备方法包括如下步骤：
S1、提供一具有底层硅、埋氧层和顶层硅的SOI衬底，并对顶层硅进行选择性掺杂；
S2、去除顶层硅未掺杂的部分，得到敏感材料层；
S3、于所述敏感材料层上形成绝缘介质层，并在绝缘介质层上局部刻蚀出接触孔；
S4、于所述绝缘介质层上形成金属层，部分金属层通过接触孔连接所述敏感材料层；
S5、由底层硅的下表面向内进行释放，形成贯穿底层硅的第一腔体和第二腔体。
2.根据权利要求1所述的一种高性能MEMS流量传感器的制备方法，其特征在于，所述热电堆的数量为两个，且对称分布在加热器的两侧，所述热电堆的热端以及加热器位于第一腔体的上方，所述热电堆的冷端位于底层硅上方。
3.根据权利要求1所述的一种高性能MEMS流量传感器的制备方法，其特征在于，所述压力敏感元件的数量为四个，且形成惠斯通电桥结构，压力敏感元件位于第二腔体的上方。
4.根据权利要求1所述的一种高性能MEMS流量传感器的制备方法，其特征在于，所述绝缘介质层的材料为氧化硅、氮化硅中的一种或两种组合。
5.根据权利要求1所述的一种高性能MEMS流量传感器的制备方法，其特征在于，所述接触孔的形状为圆形、矩形或十字花形，所述第一腔体和第二腔体的截面形状为矩形或梯形。
6.根据权利要求1所述的一种高性能MEMS流量传感器的制备方法，其特征在于，所述金属层的材料为钛、钨、铬、铂、铝、金中的一种或多种组合。
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