CN113340366A - 一种双面型mems热式气体流量传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种双面型MEMS热式气体流量传感器，在中间键合层两侧分别成型加热电阻结构和测温电阻结构，加热电阻与测温电阻被分开，使加热电阻对测温电阻产生的影响最小化，提高测量的精确度。
Description
技术领域
本申请属于传感器结构及生产工艺技术领域，尤其是涉及一种双面型MEMS热式气体流量传感器及其制造方法。
背景技术
风速风向的准确测量对社会生产生活的多个方面都有非常重要的作用。因此，风速风向传感器广泛应用于农业生产、交通运输、装备制造、能源利用和天气预测等各领域。近年来，随着MEMS技术和电子技术的发展，热式气体传感器的结构已达到微米级别。MEMS具有工艺多样化、器件微型化、性能优良、集成度高、可阵列化、可大规模生产等特点。完整的MEMS将许多微器件通过系统集成在同一芯片上，解决大尺寸系统完成不了的任务，降低了成本，实现了系统的多功能化和自动化。
恒温热式气体流量计是目前主要的发展方向，其具有：1.能测定极低流速的特小流量。2.无可动部件可靠性高。3.压力损失小，压力损失几乎可以忽略。4.可直接测量流量，无需压力温度修正。5.电信号输出值大。6.量程比极高。7.复现性能好等优点。但是，也同时存在着测温电阻易受加热电阻热辐射影响从而影响传感器测速的准确性的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术中的不足，从而提供一种精确性更高的双面型MEMS热式气体流量传感器及其制造方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种双面型MEMS热式气体流量传感器，包括：
位于中间的中间键合层以及分布在中间键合层两侧的加热电阻结构和测温电阻结构；
所述加热电阻结构，从靠近所述中间键合层到远离所述键合层的方向依次包括，第一氮化硅层、第一硅层、第二氮化硅层、包裹了第一金属层的第三氮化硅层和第一玻璃层；
所述测温电阻结构，从靠近所述中间键合层到远离所述键合层的方向依次包括，第四氮化硅层、第二硅层、第五氮化硅层、包裹了第二金属层的第六氮化硅层和第二玻璃层；
所述中间键合层、第一氮化硅层、第一硅层、第四氮化硅层、第二硅层中空形成供空气流通的空腔；
所述第一金属层包括成第一金属外框以及位于金属外框内的加热电阻金属，第一金属外框部分连接在空腔对应的镂空的第二氮化硅层上，连接在第一硅层对应的第二氮化硅层上；所述加热电阻金属为弯折往复结构，第一金属层的两端分别具有第一接线端；
所述第二金属层包括成第二金属外框以及位于所述测温电阻金属，所述测温电阻金属位于第二金属外框两侧，且分别与第二接线端连接；
在横截面投影上，所述第一金属外框与第二金属外框重合，所述第一接线端与第二接线端重合，所述加热电阻金属完全覆盖住测温电阻金属。
优选地，本发明的双面型MEMS热式气体流量传感器，第一金属外框与第二金属外框为矩形，且对角线处具有供第一接线端或者第二接线端延伸伸入到第一金属外框或者第二金属外框内的开口。
优选地，本发明的双面型MEMS热式气体流量传感器，所述第一金属外框与第二金属外框为两个对称的L形结构，包括平行于空腔的第一部分和垂直于第一部分的第二部分，所述第一部分一半位于空腔上方，一半位于第一硅层、第二硅层上方，所述第二部分横跨所述空腔连接空腔两侧的第一硅层、第二硅层的上方。
优选地，本发明的双面型MEMS热式气体流量传感器，所述中间键合层由第一氮化硅层和第四氮化硅层通过BCB胶键合得到。
优选地，本发明的双面型MEMS热式气体流量传感器，第一金属层和第二金属层为金属铂。
本发明还提供一种双面型MEMS热式气体流量传感器制造方法，用于制造上述的双面型MEMS热式气体流量传感器，包括以下步骤：
S1，取两块硅片，分别作为第一硅层和第二硅层，分别在硅片的两面的晶向上进行低压气相沉积SiN，形成第一氮化硅层和第二氮化硅层与第四氮化硅层和第五氮化硅层；
S2：分别在第二氮化硅层和第五氮化硅层上镀上金属形成第一金属层和第二金属层，使第一金属层和第二金属层形成所需图案，最终第一金属层和第二金属层分别成为金属化加热电阻和测温电路；
S3：在第一金属层和第二金属层表面使用低压气相沉积法沉积氮化硅形成第三氮化硅层和第六氮化硅层以覆盖第一金属层和第二金属层；
S4：使用光刻使第一氮化硅层和第四氮化硅层形成凹槽露出第一硅层和第二硅层；
S5：腐蚀第一硅层和第二硅层至第三氮化硅层、第六氮化硅层露出，分别形成空腔在加热电阻结构和测温电阻结构的部分；
S6：使用BCB光阻键合胶使打孔玻璃与第三氮化硅层或第六氮化硅层键合形成第一玻璃层和第二玻璃层；
S7：使用BCB光阻键合胶使第一氮化硅层和第四氮化硅层进行 BCB胶键合，并且空腔在加热电阻结构和测温电阻结构的部分封闭形成空腔。
优选地，本发明的双面型MEMS热式气体流量传感器制造方法， S2步骤中的图案分别为：
所述第一金属层包括成第一金属外框以及位于金属外框内的加热电阻金属，第一金属外框部分连接在空腔对应的镂空的第二氮化硅层上，连接在第一硅层对应的第二氮化硅层上；所述加热电阻金属为弯折往复结构，第一金属层的两端分别具有第一接线端；
所述第二金属层包括成第二金属外框以及位于所述测温电阻金属，所述测温电阻金属位于第二金属外框两侧，且分别与第二接线端连接。
优选地，本发明的双面型MEMS热式气体流量传感器制造方法，所述第一金属外框与第二金属外框为两个对称的L形结构，包括平行于空腔的第一部分和垂直于第一部分的第二部分，所述第一部分一半位于空腔上方，一半位于第一硅层、第二硅层上方，所述第二部分横跨所述空腔连接空腔两侧的第一硅层、第二硅层的上方。
优选地，本发明的双面型MEMS热式气体流量传感器制造方法，在横截面投影上，所述第一金属外框与第二金属外框重合，所述第一接线端与第二接线端重合，所述加热电阻金属完全覆盖住测温电阻金属。
优选地，本发明的双面型MEMS热式气体流量传感器制造方法， S5步骤中使用30％KOH+85℃水浴腐蚀第一硅层和第二硅层。
本发明的有益效果是：
1.本发明的双面型MEMS热式气体流量传感器，通过位于中间的中间键合层的双面结构将加热电阻与测温电阻分开，使加热电阻对测温电阻产生的影响最小化，采用对称结构测量误差大大减小。
2.本发明的双面型MEMS热式气体流量传感器，使用金属外框架支撑SiN膜面大大提升了此膜面的良率及使用期间的可靠性。
3.本发明的双面型MEMS热式气体流量传感器，BCB胶键合提升封装可靠性，集成度、效率、一致性。
4.本发明的双面型MEMS热式气体流量传感器，将测温电阻和加热电阻做在SiN膜上相比于Si上可以显著改善温漂。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。
图1是本申请实施例1的双面型MEMS热式气体流量传感器的侧图；
图2是本申请实施例1的第一金属层的俯视图；
图3是本申请实施例1的第二金属层的俯视图；
图4是本申请实施例2的双面型MEMS热式气体流量传感器制造方法的流程图。(S7步骤的BCB胶键合未包括)
图中的附图标记为：
1 键合层；
2 空腔；
11 第一氮化硅层；
12 第一硅层；
13 第二氮化硅层；
14 第一金属层；
15 第三氮化硅层；
17 第一玻璃层；
21 第四氮化硅层；
22 第二硅层；
23 第五氮化硅层；
24 第二金属层；
25 第六氮化硅层；
27 第二玻璃层；
141 第一金属外框；
142 加热电阻金属；
143 第一接线端；
241 第二金属外框；
242 测温电阻金属；
243 第二接线端。
具体实施方式
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。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。
实施例1
本实施例提供一种双面型MEMS热式气体流量传感器，如图1 所示，包括：
位于中间的中间键合层1以及分布在中间键合层1两侧的加热电阻结构和测温电阻结构；
所述加热电阻结构，从靠近所述中间键合层1到远离所述键合层 1的方向依次包括，第一氮化硅层11、第一硅层12、第二氮化硅层 13、包裹了第一金属层14的第三氮化硅层15和第一玻璃层17；
所述测温电阻结构，从靠近所述中间键合层1到远离所述键合层 1的方向依次包括，第四氮化硅层21、第二硅层22、第五氮化硅层 23、包裹了第二金属层24的第六氮化硅层25和第二玻璃层27；
所述中间键合层1、第一氮化硅层11、第一硅层12、第四氮化硅层21、第二硅层22中空形成供空气流通的空腔2；
所述第一金属层14，如图2和图3所示包括成第一金属外框141 以及位于金属外框内的加热电阻金属142，第一金属外框141部分连接在空腔2对应的镂空的第二氮化硅层13上，连接在第一硅层12对应的第二氮化硅层13上，通过两部分的连接，起到支撑第二氮化硅层13的SiN膜面的作用。加热电阻金属142为弯折往复结构，使加热更加均匀，加热电阻金属142的两端分别具有第一接线端143，第一接线端143与外部电源连接以使加热电阻金属发热；
所述第二金属层24包括成第二金属外框241以及位于所述测温电阻金属242，所述测温电阻金属242位于第二金属外框241两侧，且分别与第二接线端243连接，第二接线端243与外部设备连接，以显示出电阻或电压或电流等能够被读取的物理量；
在横截面投影上，所述第一金属外框141与第二金属外框241 重合，所述第一接线端143与第二接线端243重合，所述加热电阻金属142完全覆盖住测温电阻金属242。
本实施例的双面型MEMS热式气体流量传感器，通过位于中间的中间键合层的双面结构将加热电阻与测温电阻分开，使加热电阻对测温电阻产生的影响最小化，采用对称结构使接收到的热辐射受外界干扰一致，降低测量误差。
本实施例的双面型MEMS热式气体流量传感器，使用金属外框架支撑SiN膜面大大提升了此膜面的良率及使用期间的可靠性。
本实施例的双面型MEMS热式气体流量传感器，BCB胶键合提升封装可靠性，集成度、效率、一致性。
本实施例的双面型MEMS热式气体流量传感器，将测温电阻和加热电阻做在SiN膜上相比于Si上可以显著改善温漂。
进一步地，第一金属层14和第二金属层24为金属铂。
进一步地，第一金属外框141与第二金属外框241为矩形，且对角线处具有供第一接线端143或者第二接线端243延伸伸入到第一金属外框141或者第二金属外框241内的开口。
进一步地，所述第一金属外框141与第二金属外框241为两个对称的L形结构，包括平行于空腔2的第一部分和垂直于第一部分的第二部分，所述第一部分一半位于空腔2上方，一半位于第一硅层12、第二硅层22上方，所述第二部分横跨所述空腔2连接空腔2两侧的第一硅层12、第二硅层22的上方。以进一步加强对氮化硅层的连接支撑作用。
进一步地，所述中间键合层1由第一氮化硅层11和第四氮化硅层21通过BCB胶键合得到。BCB胶键合提升封装可靠性，集成度、效率、一致性。
实施例2
本实施例提供一种双面型MEMS热式气体流量传感器制造方法，如图4所示，包括以下步骤：
S1，取两块硅片(分别作为第一硅层12和第二硅层22)，分别在硅片的两面的100晶向上进行低压气相沉积(即lpcvd)SiN(SiN厚度可以设定为1-10um)，形成第一氮化硅层11和第二氮化硅层13与第四氮化硅层21和第五氮化硅层23；
S2：分别在第二氮化硅层13和第五氮化硅层23上镀上金属形成第一金属层14和第二金属层24，采用光刻、IBE刻蚀的工艺手段使第一金属层14和第二金属层24形成所需图案，最终第一金属层14 和第二金属层24分别成为金属化加热电阻(上表面)和测温电路(下表面)；
S3：在第一金属层14和第二金属层24表面使用低压气相沉积法(LPCVD)沉积氮化硅形成第三氮化硅层15和第六氮化硅层25以覆盖第一金属层14和第二金属层24；
S4：使用光刻使第一氮化硅层11和第四氮化硅层21形成凹槽露出第一硅层12和第二硅层22；
S5：使用30％KOH+85℃水浴腐蚀第一硅层12和第二硅层22至第二氮化硅层13、第五氮化硅层23露出，分别形成空腔2在加热电阻结构和测温电阻结构的部分；
S6：使用BCB光阻键合胶使打孔玻璃与第三氮化硅层15或第六氮化硅层25键合形成第一玻璃层17和第二玻璃层27；
S7：使用BCB光阻键合胶使第一氮化硅层11和第四氮化硅层21 进行BCB胶键合，并且空腔2在加热电阻结构和测温电阻结构的部分封闭形成空腔2。
以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (10)
1.一种双面型MEMS热式气体流量传感器，其特征在于，包括：
位于中间的中间键合层(1)以及分布在中间键合层(1)两侧的加热电阻结构和测温电阻结构；
所述加热电阻结构，从靠近所述中间键合层(1)到远离所述键合层(1)的方向依次包括，第一氮化硅层(11)、第一硅层(12)、第二氮化硅层(13)、包裹了第一金属层(14)的第三氮化硅层(15)和第一玻璃层(17)；
所述测温电阻结构，从靠近所述中间键合层(1)到远离所述键合层(1)的方向依次包括，第四氮化硅层(21)、第二硅层(22)、第五氮化硅层(23)、包裹了第二金属层(24)的第六氮化硅层(25)和第二玻璃层(27)；
所述中间键合层(1)、第一氮化硅层(11)、第一硅层(12)、第四氮化硅层(21)、第二硅层(22)中空形成供空气流通的空腔(2)；
所述第一金属层(14)包括成第一金属外框(141)以及位于金属外框内的加热电阻金属(142)，第一金属外框(141)部分连接在空腔(2)对应的镂空的第二氮化硅层(13)上，连接在第一硅层(12)对应的第二氮化硅层(13)上；所述加热电阻金属(142)为弯折往复结构，第一金属层(14)的两端分别具有第一接线端(143)；
所述第二金属层(24)包括成第二金属外框(241)以及位于所述测温电阻金属(242)，所述测温电阻金属(242)位于第二金属外框(241)两侧，且分别与第二接线端(243)连接；
在横截面投影上，所述第一金属外框(141)与第二金属外框(241)重合，所述第一接线端(143)与第二接线端(243)重合，所述加热电阻金属(142)完全覆盖住测温电阻金属(242)。
2.根据权利要求1所述的双面型MEMS热式气体流量传感器，其特征在于，第一金属外框(141)与第二金属外框(241)为矩形，且对角线处具有供第一接线端(143)或者第二接线端(243)延伸伸入到第一金属外框(141)或者第二金属外框(241)内的开口。
3.根据权利要求2所述的双面型MEMS热式气体流量传感器，其特征在于，所述第一金属外框(141)与第二金属外框(241)为两个对称的L形结构，包括平行于空腔(2)的第一部分和垂直于第一部分的第二部分，所述第一部分一半位于空腔(2)上方，一半位于第一硅层(12)、第二硅层(22)上方，所述第二部分横跨所述空腔(2)连接空腔(2)两侧的第一硅层(12)、第二硅层(22)的上方。
4.根据权利要求1-3任一项所述的双面型MEMS热式气体流量传感器，其特征在于，所述中间键合层(1)由第一氮化硅层(11)和第四氮化硅层(21)通过BCB胶键合得到。
5.根据权利要求1-3任一项所述的双面型MEMS热式气体流量传感器，其特征在于，第一金属层(14)和第二金属层(24)为金属铂。
6.一种双面型MEMS热式气体流量传感器制造方法，用于制造权利要求1-5任一项所述的双面型MEMS热式气体流量传感器，其特征在于，包括以下步骤：
S1，取两块硅片，分别作为第一硅层(12)和第二硅层(22)，分别在硅片的两面的(100)晶向上进行低压气相沉积SiN，形成第一氮化硅层(11)和第二氮化硅层(13)与第四氮化硅层(21)和第五氮化硅层(23)；
S2：分别在第二氮化硅层(13)和第五氮化硅层(23)上镀上金属形成第一金属层(14)和第二金属层(24)，使第一金属层(14)和第二金属层(24)形成所需图案，最终第一金属层(14)和第二金属层(24)分别成为金属化加热电阻和测温电路；
S3：在第一金属层(14)和第二金属层(24)表面使用低压气相沉积法沉积氮化硅形成第三氮化硅层(15)和第六氮化硅层(25)以覆盖第一金属层(14)和第二金属层(24)；
S4：使用光刻使第一氮化硅层(11)和第四氮化硅层(21)形成凹槽露出第一硅层(12)和第二硅层(22)；
S5：腐蚀第一硅层(12)和第二硅层(22)至第三氮化硅层(13)、第六氮化硅层(23)露出，分别形成空腔(2)在加热电阻结构和测温电阻结构的部分；
S6：使用BCB光阻键合胶使打孔玻璃与第三氮化硅层(15)或第六氮化硅层(25)键合形成第一玻璃层(17)和第二玻璃层(27)；
S7：使用BCB光阻键合胶使第一氮化硅层(11)和第四氮化硅层(21)进行BCB胶键合，并且空腔(2)在加热电阻结构和测温电阻结构的部分封闭形成空腔(2)。
7.根据权利要求6所述的双面型MEMS热式气体流量传感器制造方法，其特征在于，
S2步骤中的图案分别为：
所述第一金属层(14)包括成第一金属外框(141)以及位于金属外框内的加热电阻金属(142)，第一金属外框(141)部分连接在空腔(2)对应的镂空的第二氮化硅层(13)上，连接在第一硅层(12)对应的第二氮化硅层(13)上；所述加热电阻金属(142)为弯折往复结构，第一金属层(14)的两端分别具有第一接线端(143)；
所述第二金属层(24)包括成第二金属外框(241)以及位于所述测温电阻金属(242)，所述测温电阻金属(242)位于第二金属外框(241)两侧，且分别与第二接线端(243)连接。
8.根据权利要求7所述的双面型MEMS热式气体流量传感器制造方法，其特征在于，所述第一金属外框(141)与第二金属外框(241)为两个对称的L形结构，包括平行于空腔(2)的第一部分和垂直于第一部分的第二部分，所述第一部分一半位于空腔(2)上方，一半位于第一硅层(12)、第二硅层(22)上方，所述第二部分横跨所述空腔(2)连接空腔(2)两侧的第一硅层(12)、第二硅层(22)的上方。
9.根据权利要求7或8所述的双面型MEMS热式气体流量传感器制造方法，其特征在于，在横截面投影上，所述第一金属外框(141)与第二金属外框(241)重合，所述第一接线端(143)与第二接线端(243)重合，所述加热电阻金属(142)完全覆盖住测温电阻金属(242)。
10.根据权利要求6所述的双面型MEMS热式气体流量传感器制造方法，其特征在于，S5步骤中使用30％KOH+85℃水浴腐蚀第一硅层(12)和第二硅层(22)。
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