CN115077648B - 一种mems质量流量传感器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种MEMS质量流量传感器及制备方法，其测温元件热电偶设计了一种“Z”形冷端工艺，温度测量时，冷热端温差更大，提升了测温灵敏度，提高了对细微温度变化的分辨率，进而增大了质量流量测量量程，其包括衬底，所述衬底上表面设置有一层支撑层，所述支撑层的上表面设置有中心加热元件、测温热电堆元件和温度补偿电阻，所述测温热电堆元件包括测温热电偶对，其特征在于：每个所述测温热电偶对的下层热电偶均为“Z”形结构，所述下层热电偶的下端贯穿支撑层与衬底相连接。
Description
技术领域
本发明涉及质量流量传感器相关技术领域，具体涉及一种MEMS质量流量传感器及制备方法。
背景技术
微电子机械系统MEMS (Micro Electromechanical System)是80年代随着硅微机械加工技术的发展而逐渐成长起来的，是微电子平面加工技术和硅微机械加工技术发展结合的产物。用硅微机械技术制作的器件可以实现规模生产，不仅价格低，体积小，重量轻，而且可以与微电子技术加工的IC电路集成，做到机电一体化。随着MEMS技术的发展，MEMS质量流量传感器也随之出现。MEMS质量流量传感器是用来测量气体质量流量的一种新型气体流量传感器。与传统的涡轮流量传感器、旋进旋涡流量传感器、差压式流量传感器、涡街流量传感器等相比,MEMS质量流量传感器具有压损小、精度高、测量范围大、无可动部件以及能够测量极低流速等诸多优点，因而在气体检测领域得到广泛的应用。
现有的MEMS质量流量传感器中测温元件热电偶的冷端与衬底之间一般有一层SiO2薄膜，由于SiO2薄膜的热阻很大，导致冷端不能很好的向衬底导热，限制了传感器灵敏度的提高。
发明内容
为了解决上述内容中提到的问题，本发明提供了一种MEMS质量流量传感器及制备方法，其测温元件热电偶设计了一种“Z”形冷端工艺，温度测量时，冷热端温差更大，提升了测温灵敏度，提高了对细微温度变化的分辨率，进而增大了质量流量测量量程。
其技术方案是这样的：
一种MEMS质量流量传感器，其包括衬底，所述衬底上表面设置有一层支撑层，所述支撑层的上表面设置有中心加热元件、测温热电堆元件和温度补偿电阻，所述测温热电堆元件包括测温热电偶对，其特征在于：每个所述测温热电偶对的下层热电偶均为“Z”形结构，所述下层热电偶的下端贯穿支撑层与衬底相连接；每个所述测温热电偶对的下层热电偶和上层热电偶之间均设置有第二电绝缘层，所述上层热电偶靠近中心加热元件的一端与下层热电偶靠近中心加热元件的一端通过金属铝相连接，所述下层热电偶远离中心加热元件的一端与相邻下一个测温热电偶对的上层热电偶远离中心加热元件的一端通过金属铝连接。
进一步的， 每个所述测温热电偶对呈哑铃式排布，具体为：所述测温热电偶对的热端和冷端宽、桥臂窄。
进一步的，所述支撑层包括氧化硅支撑层和氮化硅支撑层，所述氧化硅支撑层设置于衬底上表面，所述氮化硅支撑层设置于氧化硅上表面。
进一步的，所述中心加热元件为长条形，其包括上下依次堆叠的第一氮化钛金属连接层、氧化硅电绝缘层、第二电绝缘层、电隔离氧化保护层、中心热源和缓冲隔离层，所述第一氮化钛金属连接层通过金属铝与中心热源相连接。
进一步的，每个所述测温热电偶对的上表面设置有上下依次堆叠的第二氮化钛金属连接层、氧化硅电绝缘层，所述第二氮化钛金属连接层通过金属铝与上层热电偶和下层热电偶相连接。
进一步的，所述温度补偿电阻设置于支撑层的边缘，其包括上下依次堆叠的第三氮化钛金属连接层、电隔离氧化保护层、环境温度补偿电阻和缓冲隔离层，所述第三氮化钛金属连接层通过金属铝与环境温度补偿电阻相连接。
进一步的，所述环境温度补偿电阻为蛇形结构。
进一步的，所述支撑层、中心加热元件、测温热电堆元件和温度补偿电阻上方设置有顶部氧化层，所述顶部氧化层上方设置有氮化硅吸收钝化层，同时所述氮化硅吸收钝化层还位于测温热电偶对的热端上方，即所述氮化硅吸收钝化层和测温热电偶对的热端之间为顶部氧化层。
进一步的，所述衬底下表面设置有背面氧化层，所述衬底和背面氧化层均在位于中心加热元件下方的位置设置有释放腔。
本发明还提供了一种MEMS质量流量传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤,
步骤1、将P型双抛硅片进行清洗处理，并进行减薄处理；
步骤2、在硅片的衬底表面进行热氧工艺沉积一层厚度在0.1~5um的氧化硅支撑层和厚度在0.1~5um的背面氧化层，然后在氧化硅支撑层的表面利用正面低压化学气相沉积（LPCVD）工艺沉积一层厚度在0.01~0.5um的氮化硅支撑层；
步骤3、在氮化硅支撑层的表面再利用物理气相沉积（PVD）工艺依次溅射一层厚度在0.01~0.5um的钛缓冲隔离层、厚度在0.1~5um的铂电阻层、厚度在1~5um的电隔离氧化保护层，再利用揭开—剥离（lift-off）工艺进行光刻图形化分别形成中心加热元件的中心热源、温度补偿电阻的蛇形环境温度补偿电阻；
步骤4、通过对氧化硅支撑层和氮化硅支撑层进行光刻，做出与衬底直接相连的窗口；
步骤5、在窗口上利用正面LPCVD工艺沉积一层厚度在0.1~5um的多晶硅，然后采用扩散的方法掺杂，形成N型掺杂，再光刻图形化形成“Z”形结构的下层热电偶，然后在下层热电偶、电隔离氧化保护层和氮化硅支撑层的表面制作一层厚度在0.05~0.5um的氧化硅作为第二电绝缘层，最后利用正面LPCVD工艺沉积一层厚度在0.1~5um的多晶硅，然后采用扩散的方法掺杂，形成P型掺杂，再光刻图形化形成上层热电偶；
步骤6、在上层热电偶和中心加热元件的顶部再利用低压化学气相沉积工艺沉积一层厚度在0.1~10um的氧化硅电绝缘层，然后进行光刻通孔的刻蚀图形化，再利用金属磁控溅射沉积工艺沉积一层厚度在0.01~10um的铝形成连接导线结构以及沉积厚度在0.05~0.5um的氮化钛金属连接层分别形成中心加热元件的第一氮化钛金属连接层、测温热电偶对的第二氮化钛金属连接层、温度补偿电阻的第三氮化钛金属连接层的连接电极结构；
步骤7、利用等离子体增强化学气相沉积法沉积一层厚度在0.01~10um的氧化硅用作顶部氧化层以及沉积厚度在0.01~10um的氮化硅吸收钝化层，并利用光刻图形化将氮化硅吸收钝化层进行刻蚀，只保留能够覆盖测温热电偶对的热端部分；
步骤8、利用光刻将背面氧化层开出释放窗口位置，再利用深硅刻蚀将衬底进行背腔刻蚀，在中心加热元件下方的位置形成背面释放腔。
本发明的有益效果为：
1、本发明的下层热电偶通过“Z”形结构设计与衬底直接相连，可以使测温元件冷端热量释放更为迅速，当温度测量时，冷热端的温差更大，提升了测温灵敏度，提高了对细微温度变化的分辨率，通过提高对细微温差变化捕捉的能力进而增大了质量流量的测量量程。
2、本发明通过每个测温热电偶呈哑铃式排布，使得测温热电偶的热端宽可以吸收更多的热量，冷端宽可以更快的散热，桥臂窄可以形成窄热量传输通道，进一步增加冷热端的温差，从而提高了测温热电堆元件的输出及灵敏度。
附图说明
图1为本发明整体结构的剖视示意图。
图2为本发明中测温热电偶呈哑铃式排布的示意图。
图3为本发明制备方法步骤2完成后的产品结构剖视示意图。
图4为本发明制备方法步骤3完成后的产品结构剖视示意图。
图5为本发明制备方法步骤4完成后的产品结构剖视示意图。
图6为本发明制备方法步骤5完成后的产品结构剖视示意图。
图7为本发明制备方法步骤6完成后的产品结构剖视示意图。
图8为本发明制备方法步骤7完成后的产品结构剖视示意图。
图9为本发明制备方法步骤8完成后的产品结构剖视示意图。
图10为本发明整体结构的俯视示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的描述。
以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的保护范围。实施例中的条件可以根据具体条件做进一步的调整，在本发明的构思前提下对本发明的方法简单改进都属于本发明要求保护的范围。
如图1、2、10所示，一种MEMS质量流量传感器，其包括衬底27，所述衬底27上表面设置有一层支撑层281，所述支撑层281的上表面设置有中心加热元件191、测温热电堆元件331和温度补偿电阻17。
所述测温热电堆元件331包括若干个测温热电偶对332，每个所述测温热电偶对332的下层热电偶33均为“Z”形结构，所述下层热电偶33的下端贯穿支撑层281与衬底27相连接。下层热电偶33通过“Z”形结构设计与衬底27直接相连，可以使测温热电偶对332的冷端热量释放更为迅速，当温度测量时，冷端和热端温差更大，提升测温灵敏度，提高对细微温度变化的分辨率，通过提高对细微温差变化捕捉的能力进而增大质量流量测量量程。测温热电偶对332靠近中心加热元件191的一端为热端，远离中心加热元件191的一端为冷端。
每个所述测温热电偶的下层热电偶33和上层热电偶35之间均设置有第二电绝缘层34。结合图1、2、10，所述上层热电偶35靠近中心加热元件191的一端与下层热电偶33靠近中心加热元件191的一端通过金属铝37相连接，所述下层热电偶33远离中心加热元件191的一端与相邻的下一个测温热电偶对332的上层热电偶35远离中心加热元件191的一端通过金属铝37连接，实现测温热电偶对332的串联，进而形成测温热电堆元件331的结构。每个所述测温热电偶对332的上表面还设置有上下依次堆叠的第二氮化钛金属连接层38-2、氧化硅电绝缘层36。所述第二氮化钛金属连接层38-2通过金属铝37与上层热电偶35和下层热电偶33相连接，所述第二电绝缘层34和氧化硅电绝缘层36均开设有用于铺设金属铝37的过孔。
每个所述测温热电偶对332呈哑铃式排布，图2中浅色部分为下层热电偶33，深色部分为上层热电偶35，具体为：所述测温热电偶对332的热端和冷端宽、桥臂窄。桥臂为热端和冷端之间的连接部分。这种排布使得测温热电偶对332的热端宽可以吸收更多的热量，冷端宽可以更快的散热，桥臂窄可以形成窄热量传输通道，进一步增加冷端和热端的温差，从而提高了测温热电堆元件331的输出及灵敏度。
所述支撑层281包括氧化硅支撑层29和氮化硅支撑层28，所述氧化硅支撑层29设置于衬底27上表面，所述氮化硅支撑层28设置于氧化硅支撑层29上表面，用以改善支撑层的应力。
所述中心加热元件191为长条形，其包括上下依次堆叠的第一氮化钛金属连接层38-1、氧化硅电绝缘层36、第二电绝缘层34、电隔离氧化保护层31、中心热源19和缓冲隔离层32，所述第一氮化钛金属连接层38-1通过金属铝37与中心热源19相连接。
所述温度补偿电阻17设置于支撑层281的边缘，其包括上下依次堆叠的第三氮化钛金属连接层38-3、电隔离氧化保护层31、蛇形环境温度补偿电阻171和缓冲隔离层32，所述第三氮化钛金属连接层38-3通过金属铝37与蛇形环境温度补偿电阻171相连接。温度补偿电阻17靠近芯片边缘，可以更真实的反映环境温度，便于进行温度补偿。蛇形结构设计是为了提高电阻对温度变化的灵敏度；又是为了减少电阻发热，较大的阻值意味着相同电压下电阻通过的电流小，电阻的温度更接近真实地环境温度。
所述支撑层281、中心加热元件191、测温热电堆元件331和温度补偿电阻17上方设置有顶部氧化层39，保护内部器件不被外部环境破坏，提高器件稳定性；所述顶部氧化层39上方设置有氮化硅吸收钝化层18，同时所述氮化硅吸收钝化层18还位于测温热电偶对332的热端上方，即所述氮化硅吸收钝化层18和测温热电偶对332的热端之间为顶部氧化层39，氮化硅吸收钝化层18用以使热量均匀分布，提升测温精度。
所述衬底27下表面设置有背面氧化层30，所述衬底27和背面氧化层30均在位于中心加热元件191下方的位置设置有释放腔20。
本发明还提供了一种MEMS质量流量传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、将P型双抛硅片进行清洗处理，并进行减薄处理。
步骤2、如图3所示，在硅片的衬底27表面进行热氧工艺沉积一层厚度在0.1~5um的氧化硅支撑层29和厚度在0.1~5um的背面氧化层30，然后在氧化硅支撑层29的表面利用正面低压化学气相沉积（LPCVD）工艺沉积一层厚度在0.01~0.5um的氮化硅支撑层28，用以改善支撑层的应力。
步骤3、如图4所示，在氮化硅支撑层28的表面再利用物理气相沉积（PVD）工艺依次溅射一层厚度在0.01~0.5um的钛缓冲隔离层32、厚度在0.1~5um的铂电阻层（此处铂电阻层为制备过程中的结构，未在图中标示）、厚度在1~5um的电隔离氧化保护层31，再利用揭开—剥离（lift-off）工艺对铂电阻层进行光刻图形化分别形成中心加热元件的中心热源19、温度补偿电阻的蛇形环境温度补偿电阻171；钛缓冲隔离层32可以增加铂电阻与衬底27的粘附性，更好地与衬底27结合。
步骤4、如图5所示，通过对氧化硅支撑层29和氮化硅支撑层28进行光刻，做出与衬底27直接相连的窗口282。
步骤5、如图6所示，在窗口282上利用正面LPCVD工艺沉积一层厚度在0.1~5um的多晶硅（此处多晶硅为制备过程中的结构，未在图中标示），然后采用扩散的方法掺杂，形成N型掺杂，提高多晶硅的导电性，再光刻图形化形成“Z”形结构的下层热电偶33；然后在下层热电偶33、电隔离氧化保护层31和氮化硅支撑层28的表面制作一层厚度在0.05~0.5um的氧化硅作为第二电绝缘层34；最后利用正面LPCVD工艺沉积一层厚度在0.1~5um的多晶硅，然后采用扩散的方法掺杂，形成P型掺杂，再光刻图形化形成上层热电偶35。
步骤6、如图7所示，在上层热电偶35和中心加热元件191的顶部再利用低压化学气相沉积工艺沉积一层厚度在0.1~10um的氧化硅电绝缘层36，然后进行光刻通孔的刻蚀图形化，再利用金属磁控溅射沉积工艺沉积一层厚度在0.01~10um的金属铝37形成连接导线结构以及沉积厚度在0.05~0.5um的氮化钛金属连接层分别形成中心加热元件191的第一氮化钛金属连接层38-1、测温热电偶对332的第二氮化钛金属连接层38-2、温度补偿电阻17的第三氮化钛金属连接层38-3的连接电极结构；其中用于连接导线结构的金属铝材料也可以使用如金属镍、金、银、铜等材料，各个氮化钛金属连接层可以在封装时增加金线打线（wirebonding）的拉力，进而增加连接电极结构（PAD）封装打线可靠性。
步骤7、如图8所示，利用等离子体增强化学气相沉积法沉积一层厚度在0.01~10um的氧化硅用作顶部氧化层39以及沉积厚度在0.01~10um的氮化硅吸收钝化层18，并利用光刻图形化将氮化硅吸收钝化层18进行刻蚀，只保留能够覆盖测温热电偶对332的热端部分，用以使热量均匀分布，提升测温精度。
步骤8、如图9所示，利用光刻将背面氧化层30开出释放窗口位置，再利用深硅刻蚀将衬底27进行背腔刻蚀，在中心加热元件191下方的位置形成背面释放腔20。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种MEMS质量流量传感器，其包括衬底，所述衬底上表面设置有一层支撑层，所述支撑层的上表面设置有中心加热元件、测温热电堆元件和温度补偿电阻，所述测温热电堆元件包括测温热电偶对，其特征在于：每个所述测温热电偶对的下层热电偶均为“Z”形结构，所述下层热电偶的下端贯穿支撑层与衬底相连接；每个所述测温热电偶对的下层热电偶和上层热电偶之间均设置有第二电绝缘层，所述上层热电偶靠近中心加热元件的一端与下层热电偶靠近中心加热元件的一端通过金属铝相连接，所述下层热电偶远离中心加热元件的一端与相邻下一个测温热电偶对的上层热电偶远离中心加热元件的一端通过金属铝连接。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS质量流量传感器，其特征在于：每个所述测温热电偶对呈哑铃式排布，具体为：所述测温热电偶对的热端和冷端宽、桥臂窄。
3.根据权利要求1所述的一种MEMS质量流量传感器，其特征在于：所述支撑层包括氧化硅支撑层和氮化硅支撑层，所述氧化硅支撑层设置于衬底上表面，所述氮化硅支撑层设置于氧化硅支撑层上表面。
4.根据权利要求1所述的一种MEMS质量流量传感器，其特征在于：所述中心加热元件为长条形，其包括上下依次堆叠的第一氮化钛金属连接层、氧化硅电绝缘层、第二电绝缘层、电隔离氧化保护层、中心热源和缓冲隔离层，所述第一氮化钛金属连接层通过金属铝与中心热源相连接。
5.根据权利要求1所述的一种MEMS质量流量传感器，其特征在于：每个所述测温热电偶对的上表面设置有上下依次堆叠的第二氮化钛金属连接层、氧化硅电绝缘层，所述第二氮化钛金属连接层通过金属铝与上层热电偶和下层热电偶相连接。
6.根据权利要求1所述的一种MEMS质量流量传感器，其特征在于：所述温度补偿电阻设置于支撑层的边缘，其包括上下依次堆叠的第三氮化钛金属连接层、电隔离氧化保护层、环境温度补偿电阻和缓冲隔离层，所述第三氮化钛金属连接层通过金属铝与环境温度补偿电阻相连接。
7.根据权利要求6所述的一种MEMS质量流量传感器，其特征在于：所述环境温度补偿电阻为蛇形结构。
8.根据权利要求1所述的一种MEMS质量流量传感器，其特征在于：所述支撑层、中心加热元件、测温热电堆元件和温度补偿电阻上方设置有顶部氧化层，所述顶部氧化层上方设置有氮化硅吸收钝化层，同时所述氮化硅吸收钝化层还位于测温热电偶对的热端上方，即所述氮化硅吸收钝化层和测温热电偶对的热端之间为顶部氧化层。
9.根据权利要求1所述的一种MEMS质量流量传感器，其特征在于：所述衬底下表面设置有背面氧化层，所述衬底和背面氧化层均在位于中心加热元件下方的位置设置有释放腔。
10.用于权利要求1-9任意一项所述的MEMS质量流量传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤,
步骤1、将P型双抛硅片进行清洗处理，并进行减薄处理；
步骤2、在硅片的衬底表面进行热氧工艺沉积一层厚度在0.1~5um的氧化硅支撑层和厚度在0.1~5um的背面氧化层，然后在氧化硅支撑层的表面利用正面低压化学气相沉积（LPCVD）工艺沉积一层厚度在0.01~0.5um的氮化硅支撑层；
步骤3、在氮化硅支撑层的表面再利用物理气相沉积（PVD）工艺依次溅射一层厚度在0.01~0.5um的钛缓冲隔离层、厚度在0.1~5um的铂电阻层、厚度在1~5um的电隔离氧化保护层，再利用揭开—剥离（lift-off）工艺进行光刻图形化分别形成中心加热元件的中心热源、温度补偿电阻的蛇形环境温度补偿电阻；
步骤4、通过对氧化硅支撑层和氮化硅支撑层进行光刻，做出与衬底直接相连的窗口；
步骤5、在窗口上利用正面LPCVD工艺沉积一层厚度在0.1~5um的多晶硅，然后采用扩散的方法掺杂，形成N型掺杂，再光刻图形化形成“Z”形结构的下层热电偶；然后在下层热电偶、电隔离氧化保护层和氮化硅支撑层的表面制作一层厚度在0.05~0.5um的氧化硅作为第二电绝缘层；最后利用正面LPCVD工艺沉积一层厚度在0.1~5um的多晶硅，然后采用扩散的方法掺杂，形成P型掺杂，再光刻图形化形成上层热电偶；
步骤6、在上层热电偶和中心加热元件的顶部再利用低压化学气相沉积工艺沉积一层厚度在0.1~10um的氧化硅电绝缘层，然后进行光刻通孔的刻蚀图形化，再利用金属磁控溅射沉积工艺沉积一层厚度在0.01~10um的铝形成连接导线结构以及沉积厚度在0.05~0.5um的氮化钛金属连接层分别形成中心加热元件的第一氮化钛金属连接层、测温热电偶对的第二氮化钛金属连接层、温度补偿电阻的第三氮化钛金属连接层的连接电极结构；
步骤7、利用等离子体增强化学气相沉积法沉积一层厚度在0.01~10um的氧化硅用作顶部氧化层以及沉积厚度在0.01~10um的氮化硅吸收钝化层，并利用光刻图形化将氮化硅吸收钝化层进行刻蚀，只保留能够覆盖测温热电偶对的热端部分；
步骤8、利用光刻将背面氧化层开出释放窗口位置，再利用深硅刻蚀将衬底进行背腔刻蚀，在中心加热元件下方的位置形成背面释放腔。
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