CN114485831A - 微流量传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了微流量传感器及其制备方法，属于传感器技术领域，包括第一基底和第二基底；在第一基底内设置第一空腔，在第二基底内设置第二空腔和第三空腔；第二空腔通过第一空腔与第三空腔连通形成微流道，用于流体的流入和流出，简化了传统的传感器结构。通过第一基底和第二基底键合为一体式结构，在一体式结构中设置封闭式微流道，实现结构一体化。本发明的微流量传感器的制备方法，将第一基底和第二基底键合，实现微流道和传感器芯片的一次成型，形成一体式结构；微流道密封通过晶圆级封装实现，工艺简单；通过微纳加工技术融合技术，解决了传统流道和封装复杂性和一致性问题。

Description

微流量传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及微流量传感器及其制备方法。

背景技术

MEMS流量传感器因灵敏度高，启动流量低、功耗高、精度高、宽量程比等优点在生物医药、工业控制、智慧家庭、潜水、城市燃气等领域有广泛应用。

但流量传感器最大挑战是市场的和技术的分散性。应用场景不同，对产品的外观尺寸、封装方式、量程范围、安装要求、精度范围等要求也有差异，这给产品流道制造和产品封装带来挑战。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供微流量传感器，通过在第一基底和第二基底内设置微流道，简化结构；本发明的另一目的是提供微流量传感器的制备方法。

技术方案：本发明的微流量传感器，包括：第一基底和第二基底；

在所述第一基底中设置第一空腔，在所述第二基底中设置第二空腔和第三空腔；

所述第二空腔通过所述第一空腔与所述第三空腔连通，形成微流道，用于流体的流入和流出。其中，微流量含义是，微流道中流体的流速低于1mL/min。即所述微流道中流体的流速低于1mL/min。

在一些实施例中，所述第一基底和第二基底键合成一体式结构，所述微流道贯穿所述一体式结构。

在一些实施例中，所述微流道包括进口和出口；

所述进口，用于流体的流入；

所述出口，用于流体的流出。

在一些实施例中，所述第一基底和第二基底选自硅和/或玻璃。

在一些实施例中，在所述第一空腔的上方设置流量敏感单元，用于测量流体的流量。

在一些实施例中，在所述第一基底上设置温度敏感单元，用于测量流体的温度。

在一些实施例中，在所述第一基底上设置信号处理单元。

在一些实施例中，在所述第一基底远离第二基底的表面覆盖支撑层，在所述支撑层上设置流量敏感单元。

在一些实施例中，在所述支撑层的上方分别设置温度敏感单元和信号处理单元。

在一些实施例中，在所述支撑层的上方设置所述信号处理单元的电连接焊盘。

在一些实施例中，在所述一体式结构的内表面和外表面均设置涂层。

微流量传感器的制备方法，包括：

提供第一基底和第二基底；

在所述第一基底靠近第二基底的一面形成第一空腔，在所述第二基底中形成第二空腔和第三空腔；

将所述第一基底和第二基底键合，形成一体式结构；

所述第二空腔通过所述第一空腔与所述第三空腔连通，形成微流道，所述微流道贯穿所述一体式结构。

在一些实施例中，在所述第一基底的上方沉积支撑层，所述支撑层包括氧化硅和/或氮化硅。

在一些实施例中，在所述支撑层上沉积敏感层，在所述敏感层上采用微纳加工工艺形成流量敏感单元，用于测量流体的流量，所述微纳加工工艺选自扩散、薄膜沉积、光刻和刻蚀中任意一种或者多种的组合。

在一些实施例中，在所述第一基底或所述支撑层上采用微纳加工工艺形成温度敏感单元，所述微纳加工工艺选自扩散、薄膜沉积、光刻和刻蚀中任意一种或者多种的组合。

在一些实施例中，在所述第一基底或所述支撑层上采用微纳加工工艺制备信号处理单元，所述微纳加工工艺选自扩散、薄膜沉积、光刻和刻蚀中任意一种或者多种的组合。

在一些实施例中，在所述一体式结构的内表面和外表面均沉积涂层。在一些实施例中，外表面包括一体式结构的左右两侧表面和一体式结构的上下表面；或者，外表面为一体式结构的上下表面。

在一些实施例中，在所述信号处理单元的表面沉积涂层后，在所述信号处理单元的电连接焊盘处开窗，除去电连接焊盘处的涂层。

在一些实施例中，所述涂层为氟碳涂层或派瑞林(Parylene)涂层。

有益效果：与现有技术相比，本发明的微流量传感器，包括第一基底和第二基底；在第一基底内设置第一空腔，在第二基底内设置第二空腔和第三空腔；第一空腔与第二空腔和第三空腔分别连通后形成微流道，用于流体的流入和流出，简化了传统的传感器结构。通过第一基底和第二基底键合为一体式结构，在一体式结构内设置微流道，实现一体化结构。本发明的微流量传感器的制备方法，将第一基底和第二基底键合，得到一体式结构，将微流道和传感器芯片一次成型。本发明的微流量传感器的制备方法，通过各向同性刻蚀传感器基底，形成介质流道，简化模组制造流程。

附图说明

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1是微流量传感器模组示意图；

图2是在硅或玻璃正面上沉积支撑层的示意图；

图3是在支撑层上面利用半导体工艺制作的示意图；

图4是在硅或玻璃背面刻蚀腔体的示意图；

图5是在另一基底上制作微流道的流体进口的示意图；

图6是将基底键合形成微流道的示意图；

图7是在一体式结构采用沉积涂层的示意图；

图8为图7的A-A截面图；

附图标记：1-第一基底、2-支撑层、3-腔体、4-第二基底、5-进口、6-出口、7-流体流动方向、8-涂层、9-电连接焊盘、100-微流量模组单元、101-流量敏感单元、102-温度敏感单元、103-信号处理单元、104-微流道。

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。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本发明中的实施例，本领域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，都属于本发明保护的范围。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

微流量传感器，包括第一基底1和第二基底4；在第一基底1中设置第一空腔，在第二基底4中设置第二空腔和第三空腔；第一空腔与第二空腔和第三空腔分别连通后形成微流道104，用于流体的流入和流出。微流量含义是，微流道104中流体的流速低于1mL/min。即微流道104中流体的流速低于1mL/min。

第一基底1和第二基底4采用键合技术形成一体式结构，并在一体式结构中形成封闭式微流道104。

微流道104包括进口5和出口6；进口5，用于流体的流入；出口6，用于流体的流出。其中，进口5和出口6均设置在第二基底4上，例如设置在第二基底4的底部。

在一些实施例中，进口5设置在第二空腔上，出口6设置在第三空腔上。

在一些实施例中，进口5设置在第三空腔上，出口6设置在第二空腔上。

在一些实施例中，第一基底1和第二基底4选自硅和/或玻璃。如第一基底1和第二基底4可以同时为硅或玻璃。或者第一基底1和第二基底4分别为硅、玻璃。

第一空腔同时作为流体流动的腔体和悬空的隔热腔体。

在微流道104的第一空腔的上方设置流量敏感单元101，用于测量流体的流量。通过设置在第一空腔上方的流量敏感单元101实现流量的测量。

在第一基底1上设置温度敏感单元102，用于测量流体的温度。

在第一基底1上设置信号处理单元103。

在一些实施例中，信号处理单元103包括信号处理电路，例如包括ASIC(Application Specific Integrated Circuit)专用集成电路。

在一些实施例中，在第一空腔的上方设置流量敏感单元101，用于测量流体的流量。

在一些实施例中，温度敏感单元102和信号处理单元103可以直接设置在第一基底1上，或者温度敏感单元102和信号处理单元103与第一基底1通过支撑层2隔开。

在第一基底1远离第二基底4的表面沉积支撑层2。在支撑层2上沉积敏感层，在敏感层上采用微纳加工工艺制作流量敏感单元101。

支撑层2包括氧化硅和/或氮化硅。

微流量传感器的制备方法，包括：

在第一基底1靠近第二基底4的一面刻蚀第一空腔，在第二基底4上制作第二空腔和第三空腔；将第一基底1和第二基底4键合，得到一体式结构；在一体式结构中的第一基底1表面沉积支撑层2，支撑层2包括氧化硅和/或氮化硅。

在支撑层2上采用微纳加工工艺制备流量敏感单元101和温度敏感单元102，微纳加工工艺选自扩散、薄膜沉积、光刻和刻蚀。

在支撑层2上采用微纳加工工艺制备信号处理单元103，微纳加工工艺选自扩散、薄膜沉积、光刻和刻蚀。

在一体式结构内表面和外表面均沉积涂层8。在一些实施例中，外表面包括一体式结构的左右两侧表面和一体式结构的上下表面；或者，外表面为一体式结构的上下表面。

在信号处理单元103的表面沉积涂层8后，在信号处理单元103的电连接焊盘9处开窗，除去电连接焊盘9部分的涂层8。

在一些实施例中，微流量传感器，包括第一基底1和第二基底4，第一基底1和第二基底4对准并键合，得到一体式结构，在一体式结构内设置微流道104，用于流体的流入和流出。

其中，微流道104的主体部分设置在第一基底1的背面。在第一基底1的正面沉积支撑层2。

如图1所示，微流量模组单元100包括流量敏感单元101、温度敏感单元102、信号处理单元103和微流道104。

在一些实施例中，流体从进口5沿着微流道104后从出口6流出。

在一些实施例中，流体的流量的大小通过流量敏感单元101测量并通过信号处理单元103计算得到。

在一些实施例中，流体的温度通过温度敏感单元102得到。

在一些实施例中，流量敏感单元101、温度敏感单元102和信号处理单元103以及微流道104通过微纳加工技术制作，工艺简单、成本低、性能一致性好。可适用于微小气体和微小液体流量的测量应用。

微流量传感器的制备方法，包括如下步骤：

1)在第一基底1的正面沉积支撑层2，沉积支撑层2包括氧化硅、氮化硅或氧化硅和氮化硅混合物，如图2所示；

2)在支撑层2上面利用微纳加工制作流量敏感单元101、温度敏感单元102和信号处理单元103，微纳加工工艺包括但不仅限于扩散、薄膜沉积、光刻和刻蚀等工艺步骤，如图3所示；

3)在第一基底1的背面刻蚀腔体3，作为第一空腔，腔体3在流量敏感单元101的下方或者正下方，作为流量敏感单元101的隔热的腔体3，直接决定流量敏感单元101的灵敏度、热响应时间、精度和功耗等传感器的参数，如图4所示；腔体3同时作为流体流动的腔体和悬空的隔热腔体，通过设置在腔体3上方的流量敏感单元101实现流量的测量；

4)在第二基底4上制作第二空腔和第三空腔，通过设定间距和设定尺寸的进口5和出口6，如图5所示；

5)将第二基底4与第一基底1对准并键合，得到一体式结构，使得进口5和出口6与第一基底1隔热的腔体3相连，形成微流道104，如图6所示；此时，流量敏感单元101设置在腔体3的上方或者正上方；

6)在一体式结构表面沉积涂层8，使得整个一体式结构的内表面和外表面都均沉积有涂层8，包括微流道104，流量敏感单元101、温度敏感单元102和信号处理单元103，微流道104的流体流动方向7如图7所示；

7)在信号处理单元103的电连接焊盘9处开窗，除去电连接部分(电连接焊盘9的涂层8，保证电连接正常；

8)最后通过半导体切割工艺，形成单个的微流量模组单元100，如图8所示。

在一些实施例中，第二空腔与第一空腔连通，第一空腔和第三空腔连通，形成封闭式微流道104。也就是说，第一空腔与第二空腔、第三空腔分别相连通。第二空腔与第一空腔不相连的一端、第三空腔与第一空腔不相连的一端，分别构成微流道104的进口5和出口6。

这种一次成型形成既具有敏感元件(流量敏感单元101、温度敏感单元102)、微流道104及信号处理单元103(ASIC)电路的具有完全功能流量模组。这种模组既可以应用气体流量的测量又适合液体流量测量。

整个设计及制作流程与传统单个模组的制作工艺相比工艺简单，器件一致性好，且成本有极大优势。

在一些实施例中，涂层8为氟碳涂层或Parylene涂层，其中，Parylene涂层具有如下独特作用：

a)因Parylene其良好低阻滞性、低摩擦系数，可降低微流道表面能，减小液体的粘滞力，使液体流量有更稳定性能；

b)Paylene具有良好的耐腐蚀、防锈、防潮、抗氧、介电性能，可有效保护流量敏感单元101，温度敏感单元102和信号处理单元103；

c)Parylene具有抗细菌、耐溶剂制作及生物相容性，因此微流道104可用于生物医疗等具有生物兼容性要求的应用；

d)Parylene与微纳工艺兼容，可低成本实现批量生产。

本发明的微流量传感器，包括第一基底1和第二基底4；在第一基底1内设置第一空腔，在第二基底4内设置第二空腔和第三空腔；第一空腔与第二空腔和第三空腔分别连通后形成微流道104，用于流体的流入和流出，简化了传统的传感器结构。通过第一基底1和第二基底4键合为一体式结构，在一体式结构内设置微流道104，实现一体化结构。本发明的微流量传感器的制备方法，将第一基底1和第二基底4键合，得到一体式结构，将微流道104和传感器芯片一次成型。

微流道104密封通过晶圆级封装实现，简化封装工艺，工艺简单。

通过在微流道104涂敷表面能低且生物兼容的涂层8，如氟碳涂层或派瑞林(Parylene)等疏水涂层，目的是降低微流道104表面能，从而降低流体与微流道104表面的动态粘滞力；通过微纳加工工艺的融合技术，解决了传统流道加工和流量产品封装复杂性及一致性问题。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上对本发明实施例所提供的微流量传感器及其制备方法进行了详细介绍，本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例的技术方案的范围。

Claims (19)

1.微流量传感器，其特征在于，包括：第一基底(1)和第二基底(4)；

在所述第一基底(1)中设置第一空腔，在所述第二基底(4)中设置第二空腔和第三空腔；

所述第二空腔通过所述第一空腔与所述第三空腔连通，形成微流道(104)，用于流体的流入和流出。

2.根据权利要求1所述的微流量传感器，其特征在于，所述第一基底(1)和第二基底(4)键合成一体式结构，所述微流道(104)贯穿所述一体式结构。

3.根据权利要求1所述的微流量传感器，其特征在于，所述微流道(104)包括进口(5)和出口(6)；

所述进口(5)，用于流体的流入；

所述出口(6)，用于流体的流出。

4.根据权利要求1所述的微流量传感器，其特征在于，所述第一基底(1)和第二基底(4)选自硅和/或玻璃。

5.根据权利要求1所述的微流量传感器，其特征在于，在所述第一空腔的上方设置流量敏感单元(101)，用于测量流体的流量。

6.根据权利要求1所述的微流量传感器，其特征在于，在所述第一基底(1)上设置温度敏感单元(102)，用于测量流体的温度。

7.根据权利要求1所述的微流量传感器，其特征在于，在所述第一基底(1)上设置信号处理单元(103)。

8.根据权利要求1所述的微流量传感器，其特征在于，在所述第一基底(1)远离第二基底(4)的表面覆盖支撑层(2)，在所述支撑层(2)上设置流量敏感单元(101)。

9.根据权利要求8所述的微流量传感器，其特征在于，在所述支撑层(2)的上方分别设置温度敏感单元(102)和信号处理单元(103)。

10.根据权利要求9所述的微流量传感器，其特征在于，在所述支撑层(2)的上方设置所述信号处理单元(103)的电连接焊盘(9)。

11.根据权利要求2所述的微流量传感器，其特征在于，在所述一体式结构的内表面和外表面均设置涂层(8)。

12.微流量传感器的制备方法，其特征在于，包括：

提供第一基底(1)和第二基底(4)；

在所述第一基底(1)靠近第二基底(4)的一面形成第一空腔，在所述第二基底(4)中形成第二空腔和第三空腔；

将所述第一基底(1)和第二基底(4)键合，形成一体式结构；

所述第二空腔通过所述第一空腔与所述第三空腔连通，形成微流道(104)，所述微流道(104)贯穿所述一体式结构。

13.根据权利要求12所述的微流量传感器的制备方法，其特征在于，在所述第一基底(1)的上方沉积支撑层(2)，所述支撑层(2)包括氧化硅和/或氮化硅。

14.根据权利要求13所述的微流量传感器的制备方法，其特征在于，在所述支撑层(2)上沉积敏感层，在所述敏感层上采用微纳加工工艺形成流量敏感单元(101)，用于测量流体的流量，所述微纳加工工艺选自扩散、薄膜沉积、光刻和刻蚀中任意一种或者多种的组合。

15.根据权利要求13所述的微流量传感器的制备方法，其特征在于，在所述第一基底(1)或所述支撑层(2)上采用微纳加工工艺形成温度敏感单元(102)，所述微纳加工工艺选自扩散、薄膜沉积、光刻和刻蚀中任意一种或者多种的组合。

16.根据权利要求14所述的微流量传感器的制备方法，其特征在于，在所述第一基底或所述支撑层(2)上采用微纳加工工艺制备信号处理单元(103)，所述微纳加工工艺选自扩散、薄膜沉积、光刻和刻蚀中任意一种或者多种的组合。

17.根据权利要求12所述的微流量传感器的制备方法，其特征在于，在所述一体式结构的内表面和外表面均沉积涂层(8)。

18.根据权利要求16所述的微流量传感器的制备方法，其特征在于，在所述信号处理单元(103)的表面沉积涂层(8)后，在所述信号处理单元(103)的电连接焊盘(9)处开窗，除去电连接焊盘(9)处的涂层(8)。

19.根据权利要求17或18所述的微流量传感器的制备方法，其特征在于，所述涂层(8)为氟碳涂层或派瑞林涂层。

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