CN113173556A - 微传感芯片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了微传感芯片及其制造方法，微传感芯片包括衬底、薄膜、加热条、热电堆和压阻条，衬底为硅基材料衬底；薄膜为复合薄膜，设置于衬底上方；加热条设置在薄膜上表面并位于薄膜中央；两个热电堆对称设置在加热条两侧，热电堆的一端设置在薄膜上表面，另外一端设置在衬底上；四个压阻条设置在薄膜上表面并组成惠斯登电桥。本申请公开的微传感芯片及其制造方法，通过将热式流量传感和压阻式压力传感在一个芯片上实现集成，解决传统集成传感测量模块的体积大，封装难的缺点，本申请提供的微传感芯片具有集成度高、结构简单、体积小、便于封装的特点，降低了生产成本，提高了生产效率。
Description
技术领域
本申请涉及传感器技术领域，尤其涉及微传感芯片及其制造方法。
背景技术
作为信息科技产业的第三次革命，物联网要求通过各种信息传感器实现万物互联。传统传感器体积较大，难以集成和批量生产，因此价格昂贵，这对于对传感器需求量巨大的物联网技术来说成本过大。微机电技术(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)的发展推动了微型传感器商业化进程，这种在晶圆上制造传感器的技术可以把传感器尺寸缩小到微米级，因此仅仅一片晶圆就可以生产数以万计的传感器芯片，这极大地降低了传感器成本。而近年来，随着传感器芯片越做越小，单颗芯片实现单种物理量传感的芯片尺寸已接近极限。
MEMS压力传感器的敏感原理主要包括压阻式和电容式，尽管各类压力传感器的敏感原理不同，但其共通点是需要感测外界压力变化的敏感元件，该敏感元件通常由薄膜制成。外界压力变化导致薄膜形变，通过测量薄膜的变形量即可反推出外界压力。
MEMS流量传感器的敏感原理主要包括热式和差压式，热式原理通常基于风速计或量热计原理，通过测量损耗的热量或者测量热源两侧的温差来反推出流量。压差式则是测量流道内两处压力反推出流量。其中，热式原理为了提高响应时间，降低热质量，隔离热源和衬底的传热，通常也需要薄膜结构来隔热。
现有技术中，往往采用两个压力传感器形成压差式或将压力传感芯片和流量传感芯片封装在一个管壳内实现压力和流量的集成传感测量，这对封装工艺要求更高，模块体积较大较重且性价比不高。
发明内容
为了解决以上问题的一个或多个，本申请提出微传感芯片及其制造方法。
根据本申请的一个方面，提供了微传感芯片，包括衬底、薄膜、加热条、热电堆和压阻条，衬底为硅基材料衬底；薄膜为复合薄膜，设置于衬底上方；加热条设置在薄膜上表面并位于薄膜中央；两个热电堆对称设置在加热条两侧，热电堆的一端设置在薄膜上表面，另外一端设置在衬底上；四个压阻条设置在薄膜上表面并组成惠斯登电桥。
在一些实施方式中，衬底为正方形硅基衬底。由此，获得对称分布的应力分布，提高芯片的线性度。
在一些实施方式中，薄膜为二氧化硅和氮化硅的复合薄膜。由此，复合薄膜既可以作为压力感测区域也可以作为向衬底横向传热的区域。
在一些实施方式中，薄膜为正方形复合薄膜。由此，薄膜可以获得最大强度和对称的应力分布，提高芯片的线性度。
在一些实施方式中，薄膜对应的衬底上设置空腔。由此，空腔起到绝热的作用，使热传导主要发生在薄膜上表面。
在一些实施方式中，加热条和压阻条由P型多晶硅构成。由此，P型多晶硅构成的加热条，其电阻率对温度不敏感，因此可以在电阻条两侧施加电压以获得恒定功率，来实现温度补偿；同时，P型多晶硅有更高的塞克系数能够提高芯片灵敏度。
在一些实施方式中，热电堆由铝和P型多晶硅构成。由此，铝和P型多晶硅形成热电偶从而串联成热电堆，能够获得较高的灵敏度。
在一些实施方式中，四个压阻条设置在薄膜的边缘处。由此，薄膜边缘处通常为应力或应变最大处，压阻条设置在应力或应变最大处，压阻条两正两负形成差分结构，从而获得和压力相关电桥输出的最大灵敏度。
根据本申请的另一个方面，提供微传感芯片的制造方法，包括以下步骤：
(1)选择单晶硅片作为衬底；
(2)在清洗烘干后的单晶硅片的两面各生成一层氮化硅层；
(3)在步骤(2)得到的两层氮化硅层上各生成一层多晶硅层；
(4)在步骤(3)得到的任一多晶硅层上生成一层二氧化硅层，生成二氧化硅层的多晶硅层为正面多晶硅层，另一个多晶硅层为反面多晶硅层；
(5)对正面多晶硅层进行硼掺杂；
(6)去除二氧化硅层以及正面多晶硅层上多余的多晶硅，形成加热条、热电堆的一臂和压阻条；
(7)在加热条、热电堆的一臂和压阻条上生成一层二氧化硅层，并通过刻蚀在二氧化硅层上预留接通孔；
(8)在步骤(7)得到的二氧化硅层上溅射铝，并刻蚀形成热电堆的另一臂；
(9)在加热条、热电堆和压阻条上依次生成二氧化硅层和氮化硅层；
(10)去除局部反面多晶硅层及其对应的氮化硅层；
(11)湿法腐蚀单晶硅片形成空腔，形成悬空的薄膜结构。
在一些实施方式中，在步骤(11)后，还包括，在空腔外键合玻璃或硅，形成真空腔。由此，具有真空腔的微传感芯片可用于绝对压力测量。
本申请的有益效果是，通过将热式流量传感和压阻式压力传感在一个芯片上实现集成，解决传统集成传感测量模块的体积大，封装难的缺点，本申请提供的微传感芯片具有集成度高、结构简单、体积小、便于封装的特点，降低了生产成本，提高了生产效率。
附图说明
图1为本申请一实施例提供的微传感芯片的结构示意图。
图2为本申请一实施例提供的微传感芯片的制造方法的工艺流程图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例一：
在本实施例中，参考说明书附图1，提供了一种微传感芯片，包括衬底1、薄膜2、加热条3、热电堆4和压阻条5，衬底1为硅基材料衬底；薄膜2为复合薄膜，设置于衬底1上方；加热条3设置在薄膜2上表面并位于薄膜2中央；两个热电堆4对称设置在加热条3两侧，热电堆4的一端设置在薄膜2上表面，另外一端设置在衬底1上；四个压阻条5设置在薄膜2上表面并组成惠斯登电桥。
本申请的工作原理为，压阻条5组成惠斯登电桥，压阻条5两正两负形成差分结构，从而获得与压力相关的电桥输出，实现压力测量。
加热条3两侧的温度分别为Th1和Th2，由于硅基材料具有极佳的导热系数，因此衬底1的温度趋于相等，可看做等温体，假设衬底1的温度是Tc，则获得加热条3两侧的额温差dT＝Th1-Tc-(Th2-Tc)＝Th1-Th2；根据热式流量计原理，在恒定加热功率下，加热条3两侧的温差和流速在一定范围内存在一一对应的关系，由于薄膜2隔热形成热岛结构，热电堆4两端形成温差，根据热电效应，热电堆4两端形成温差电动势，输出电压信号，若两个热电堆4输出电压分别为V1和V2，则dV＝V1-V2，dV和dT有一一对应的关系，因此，加热条3两侧热电堆4的输出电压之差，可以建立与流速之间的对应关系，当流道截面积已知且不变，则可以实现流量测量。
在可选的实施例中，衬底1为正方形硅基衬底。由此，获得对称分布的应力分布，提高芯片的线性度。
在可选的实施例中，薄膜2为二氧化硅和氮化硅的复合薄膜。由此，复合薄膜既可以作为压力感测区域也可以作为向衬底横向传热的区域。
在可选的实施例中，薄膜2为正方形复合薄膜。由此，薄膜可以获得最大强度和对称的应力分布，提高芯片的线性度。
在可选的实施例中，薄膜2对应的衬底1上设置空腔6。由此，空腔起到绝热的作用，使热传导主要发生在薄膜上表面。
在可选的实施例中，加热条3和压阻条5由P型多晶硅构成。由此，P型多晶硅构成的加热条，其电阻率对温度不敏感，因此可以在电阻条两侧施加电压以获得恒定功率，来实现温度补偿；同时，P型多晶硅有更高的塞克系数能够提高芯片灵敏度。
在可选的实施例中，热电堆4由铝和P型多晶硅构成。由此，铝和P型多晶硅形成热电偶从而串联成热电堆，能够获得较高的灵敏度。
在可选的实施例中，四个压阻条5设置在薄膜2的边缘处。具体的，两个压阻条5可以设置在拉应力最大的区域，另外两个压阻条5可以设置在压应力最大的区域。由此，薄膜边缘处通常为应力或应变最大处，压阻条设置在应力或应变最大处，压阻条两正两负形成差分结构，从而获得和压力相关电桥输出的最大灵敏度。
本申请的有益效果为，通过将热式流量传感和压阻式压力传感在一个芯片上实现集成，解决传统集成传感测量模块的体积大，封装难的缺点，本申请提供的微传感芯片具有集成度高、结构简单、体积小、便于封装的特点，降低了生产成本，提高了生产效率。
实施例二：
在本实施例中，参考说明书附图2，示意性地提供了一种微传感芯片的制造方法，包括以下步骤：
(1)选择单晶硅片作为衬底；
(2)在清洗烘干后的单晶硅片的两面各生成一层氮化硅层，该氮化硅层既是绝缘层也是步骤(11)中湿法腐蚀的阻挡层；
(3)在步骤(2)得到的两层氮化硅层上各生成一层多晶硅层，具体的，可使用低压力化学气相沉积法生长多晶硅；
(4)在步骤(3)得到的任一多晶硅层上生成一层二氧化硅层，生成二氧化硅层的多晶硅层为正面多晶硅层，另一个多晶硅层为反面多晶硅层；
(5)对正面多晶硅层进行硼掺杂，具体的，可以通过离子注入进行硼掺杂；
(6)去除二氧化硅层以及正面多晶硅层上多余的多晶硅，形成加热条、热电堆的一臂和压阻条；
(7)在加热条、热电堆的一臂和压阻条上生成一层二氧化硅层，并通过刻蚀在二氧化硅层上预留接通孔，二氧化硅层用于电气隔离；
(8)在步骤(7)得到的二氧化硅层上溅射铝，并刻蚀形成热电堆的另一臂；
(9)在加热条、热电堆和压阻条上依次生成二氧化硅层和氮化硅层；
(10)去除局部反面多晶硅层及其对应的氮化硅层；
(11)湿法腐蚀单晶硅片形成空腔，空腔与大气联通，用于相对压力的测量。
在可选的实施例中，步骤(3)中生成多晶硅时，根据不同的工艺要求，可以是一次生长完成，此时压阻条、加热条和热电堆的一臂厚度相等；也可以是多次生长，并且通过刻蚀，制作厚度不同的多晶硅层，由此满足不同的压阻效应和热电效应。
在可选的实施例中，步骤(4)中可使用等离子增强化学气相沉积法生成二氧化硅层，二氧化硅层为步骤(5)中进行硼掺杂的缓冲层，由此，避免因多晶硅层太薄导致硼掺杂时注入过深，使大部分杂质原子分布在多晶硅下，影响多晶硅掺杂浓度。具体的，二氧化硅层的厚度可以通过离子注入杂质原子分布理论获得。
在可选的实施例中，步骤(5)中可以对整个多晶硅层掺杂从而掺杂得更均匀，也可以分区域掺杂不同的离子浓度以实现更好的热电效应和压阻效应。
在可选的实施例中，步骤(5)和步骤(6)之间还包括退火步骤，用于修复离子注入引起的晶格损伤。
在可选的实施例中，步骤(9)中二氧化硅层和氮化硅层形成复合钝化层结构，用于用于阻挡水汽和外部杂质离子，也可以用作阻挡层。
在可选的实施例中，在步骤(11)后，还包括，在空腔外键合玻璃或硅，形成真空腔。由此，具有真空腔的微传感芯片可用于绝对压力测量。
本申请的有益效果为，通过将热式流量传感和压阻式压力传感在一个芯片上实现集成，解决传统集成传感测量模块的体积大，封装难的缺点，本申请提供的微传感芯片具有集成度高、结构简单、体积小、便于封装的特点，降低了生产成本，提高了生产效率。
以上所述仅是本申请的可选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (10)
1.微传感芯片，其特征在于，包括衬底(1)、薄膜(2)、加热条(3)、热电堆(4)和压阻条(5)，所述衬底(1)为硅基材料衬底；所述薄膜(2)为复合薄膜，设置于所述衬底(1)上方；所述加热条(3)设置在所述薄膜(2)上表面并位于所述薄膜(2)中央；两个所述热电堆(4)对称设置在所述加热条(3)两侧，所述热电堆(4)的一端设置在所述薄膜(2)上表面，另外一端设置在所述衬底(1)上；四个所述压阻条(5)设置在所述薄膜(2)上表面并组成惠斯登电桥。
2.根据权利要求1所述的微传感芯片，其特征在于，所述衬底(1)为正方形硅基衬底。
3.根据权利要求1所述的微传感芯片，其特征在于，所述薄膜(2)为二氧化硅和氮化硅的复合薄膜。
4.根据权利要求1所述的微传感芯片，其特征在于，所述薄膜(2)为正方形复合薄膜。
5.根据权利要求1所述的微传感芯片，其特征在于，所述薄膜(2)对应的所述衬底(1)上设置空腔(6)。
6.根据权利要求1所述的微传感芯片，其特征在于，所述加热条(3)和压阻条(5)由P型多晶硅构成。
7.根据权利要求1所述的微传感芯片，其特征在于，所述热电堆(4)由铝和P型多晶硅构成。
8.根据权利要求1所述的微传感芯片，其特征在于，四个所述压阻条(5)设置在所述薄膜(2)的边缘处。
9.微传感芯片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选择单晶硅片作为衬底；
(2)在清洗烘干后的单晶硅片的两面各生成一层氮化硅层；
(3)在步骤(2)得到的两层氮化硅层上各生成一层多晶硅层；
(4)在步骤(3)得到的任一多晶硅层上生成一层二氧化硅层，生成二氧化硅层的多晶硅层为正面多晶硅层，另一个多晶硅层为反面多晶硅层；
(5)对正面多晶硅层进行硼掺杂；
(6)去除二氧化硅层以及正面多晶硅层上多余的多晶硅，形成加热条、热电堆的一臂和压阻条；
(7)在加热条、热电堆的一臂和压阻条上生成一层二氧化硅层，并通过刻蚀在二氧化硅层上预留接通孔；
(8)在步骤(7)得到的二氧化硅层上溅射铝，并刻蚀形成热电堆的另一臂；
(9)在加热条、热电堆和压阻条上依次生成二氧化硅层和氮化硅层；
(10)去除局部反面多晶硅层及其对应的氮化硅层；
(11)湿法腐蚀单晶硅片形成空腔，形成悬空的薄膜结构。
10.根据权利要求9所述的微传感芯片的制造方法，其特征在于，在步骤(11)后，还包括，
在空腔外键合玻璃或硅，形成真空腔。
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2021
- 2021-04-20 CN CN202110427396.8A patent/CN113173556A/zh active Pending
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