CN115127630A - 一种双轴多向mems热式流量传感器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双轴多向MEMS热式流量传感器的制备方法，其使用多孔结构的固态隔热技术，该结构可靠稳定，防止了芯片损坏，并且设置三组热电堆进行X轴向、Y轴向和45°轴向的排布，使得芯片适用于监测多轴向流入的气体流量，其包括以下步骤：步骤1、得到减薄后的硅片结构；步骤2、得到固态多孔隔热结构；步骤3、沉积氧化硅支撑层和氮化硅支撑层；步骤4、形成镂空圆形中心热源结构；步骤5、制作热电堆和芯片本体电极；步骤6、形成一层微阵列微针圆锥结构；步骤7、沉积碳化硅保护层；步骤8、将芯片本体封装于凹槽内。
Description
技术领域
本发明涉及流量传感器相关技术领域，具体涉及一种双轴多向MEMS热式流量传感器的制备方法。
背景技术
流量测量在日常生活、工业领域应用十分广泛。根据测量原理的不同，流量检测方式可分为涡轮式、涡街式、超声波式、传热式等，其中热式流量传感器因结构简单、无机械零部件和测量精度高，近年来得到广泛应用。随着上世纪90年代MEMS技术的兴起，应用MEMS技术制作各种类型的热式流量传感器，其具有测量精度高、功耗低、检测性能好等特点，使得基于MEMS技术的热式流量传感器得到了很大发展。
目前市场上的MEMS热式流量传感器的隔热层一般采用悬梁结构，其缺点是在气流冲击下悬梁会断裂，造成传感芯片的损坏；另外市面上基本都是单一流向或单轴双向的MEMS热式流量传感器，不适于监测多轴向流入的气体流量。
发明内容
为了解决上述内容中提到的问题，本发明提供了一种双轴多向MEMS热式流量传感器的制备方法，该制备方法使用多孔结构的固态隔热技术，该结构可靠稳定，防止了芯片损坏，并且设置三组热电堆进行X轴向、Y轴向和45°轴向的排布，使得芯片适用于监测多轴向流入的气体流量。
其技术方案是这样的：一种双轴多向MEMS热式流量传感器，其包括芯片本体和电路板，所述芯片本体贴装在电路板上，所述芯片本体的隔热层为固态多孔隔热结构；所述芯片本体的热电堆包括3组，所述3组热电堆分别按X轴向、Y轴向和45°轴向排布在芯片本体的中心热源的外围。
进一步的，所述芯片本体包括硅片结构，所述硅片结构上部设置有固态多孔隔热结构，所述固态多孔隔热结构的上表面设置有支撑层，所述支撑层上表面设置有中心热源、热电堆和芯片本体电极。
进一步的，所述中心热源为镂空圆形。
进一步的，所述中心热源的顶部设置有一层微阵列微针圆锥结构。
进一步的，所述芯片本体顶部设置有碳化硅保护层。
进一步的，所述支撑层包括氧化硅支撑层和氮化硅支撑层。
进一步的，所述电路板上设置有凹槽，所述芯片本体封装于凹槽内；所述凹槽内设置有金属镀层位。
本发明提供的一种双轴多向MEMS热式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再减薄，得到减薄后的硅片结构；
步骤2、通过掩膜设计，将减薄后的硅片结构进行电化学腐蚀法得到固态多孔隔热结构；
步骤3、在固态多孔隔热结构的表面沉积一层氧化硅支撑层，在氧化硅支撑层的表面沉积一层氮化硅支撑层；
步骤4、在氮化硅支撑层的表面通过磁控溅射工艺溅射一层铂薄膜，然后结合光刻掩膜版对铂薄膜进行反应离子刻蚀图形化形成镂空圆形中心热源结构；
步骤5、再在氮化硅支撑层的表面制作热电堆和芯片本体电极；
步骤6、在镂空圆形中心热源结构的顶部制作单层有序聚苯乙烯微球阵列；对单层有序聚苯乙烯微球阵列进行磁增强反应离子刻蚀形成一层微阵列微针圆锥结构；
步骤7、在芯片本体的顶部沉积碳化硅保护层；
步骤8、在电路板上开设凹槽，将芯片本体封装于凹槽内。
进一步的，所述步骤6包括：
步骤6-1、取聚苯乙烯微球悬浮液和无水乙醇等体积混合，再进行超声震荡，制得聚苯乙烯微球乙醇稀释液；
步骤6-2、将芯片本体利用双面胶固定于可移动塑料平板上，将上述聚苯乙烯微球乙醇稀释液利用表面张力在芯片本体上进行自组装，然后采用气-液界面自组装方法在芯片本体上制备出单层有序聚苯乙烯微球阵列；
步骤6-3、将上述单层有序聚苯乙烯微球阵列进行磁增强反应离子刻蚀，然后采用CH2Cl2将聚苯乙烯微球洗去，形成一层微阵列微针圆锥结构。
本发明的有益效果为：
1、本发明通过将隔热层设置为固态多孔隔热结构，从结构设计上避免了气流对芯片的损坏，提高了传感器的稳定性和可靠性；并且固态多孔隔热结构本身可靠稳定，也可用于液体流量的测量，并且多孔硅技术不受硅片几何晶向的束缚，也无须进行双面光刻、进行隔热设计。
2、本发明通过将3组热电堆分别按X轴向、Y轴向和45°轴向排布在芯片本体的中心热源的外围，使得芯片适用于监测多轴向流入的气体流量，提高了传感器的适用性。
3、本发明通过将中心热源设计成镂空圆形，能够降低芯片功耗，同时可以保证对周围的测温元件提供足够且对称的发热量；并且通过在中心热源的顶部设置有一层微阵列微针圆锥结构，提高热源发散率、提高热源温度，当有微小流量经过时，测温元件可以更精准的进行识别，提高了芯片的整体灵敏度。
4、本发明通过将芯片本体封装于电路板的凹槽内，使芯片的敏感面与电路板表面平齐，防止了灰尘污染物在芯片与电路板结合处沉积，保证了传感器的测量精度，同时拓宽了流量传感器的量程；并且通过在芯片本体顶部设置碳化硅保护层，进一步避免了灰尘污染物的聚集。
附图说明
图1为本发明中传感器的剖视示意图。
图2为本发明中电路板的俯视示意图。
图3为本发明中芯片本体的剖视示意图。
图4为本发明中芯片本体的俯视示意图。
图5为本发明制备方法步骤1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2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3和4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5部分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5和6部分完成后的产品结构剖视示意图。
图10为本发明制备方法步骤6完成后的产品结构剖视示意图。
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所示，一种双轴多向MEMS热式流量传感器，其包括芯片本体35和电路板17，所述芯片本体35贴装在电路板17上，所述电路板17上设置有凹槽19，所述芯片本体35封装于凹槽19内，使芯片本体35的敏感面（即芯片本体35的顶部）与电路板17表面基本平齐，例如图1中芯片本体35的顶部稍露出于电路板17的表面上方，防止了灰尘污染物在芯片本体35与电路板17结合处沉积，保证了传感器的测量精度，同时拓宽了流量传感器的量程；所述凹槽19内设置有金属镀层位20，用于芯片本体35定位；所述电路板17上还有与芯片本体35一一对应的电路板电极PAD18，用于打线连接。
如图3-4所示，所述芯片本体35包括硅片结构1，所述硅片结构1上部设置有固态多孔隔热结构2，所述固态多孔隔热结构2的上表面设置有支撑层36，所述支撑层36上表面设置有中心热源5、热电堆37和芯片本体电极PAD（芯片本体电极PAD未在图3中示出）。所述芯片本体35顶部设置有碳化硅保护层16，避免了灰尘污染物的聚集。芯片本体35中将隔热层设置为固态多孔隔热结构2，所述固态多孔隔热结构2具体为部分硅片通过电解腐蚀得到的具有一定孔隙率和厚度的多孔结构。固态多孔隔热结构2从结构设计上避免了气流对芯片的损坏，提高了传感器的稳定性和可靠性；并且固态多孔隔热结构2本身可靠稳定，也可用于液体流量的测量，并且多孔硅技术不受硅片几何晶向的束缚，也无须进行双面光刻、进行隔热设计。所述支撑层36包括氧化硅支撑层3和氮化硅支撑层4。
如图4所示，所述芯片本体的热电堆37包括3组，所述3组热电堆37分别按X轴向、Y轴向和45°轴向排布在中心热源5的外围，使得芯片适用于监测多轴向流入的气体流量，提高了传感器的适用性。所述中心热源5为镂空圆形，能够降低芯片功耗，同时可以保证对周围的测温元件提供足够且对称的发热量。如图10所示，所述中心热源5的顶部设置有一层微阵列微针圆锥结构15，提高热源发散率、提高热源温度，当有微小流量经过时，测温元件可以更精准的进行识别，提高了芯片的整体灵敏度。图4中芯片本体电极PAD包括：附图标记21为45°轴向下游热电堆测温正电极；附图标记22为X轴向下游热电堆测温负电极；附图标记23为X轴向下游热电堆测温正电极；附图标记24为镂空圆形中心热源加热负电极；附图标记25为Y轴向上游热电堆测温负电极；附图标记26为Y轴向上游热电堆测温正电极；附图标记27为45°轴向上游热电堆测温负电极；附图标记28为45°轴向上游热电堆测温正电极；附图标记29为X轴向上游热电堆测温负电极；附图标记30为X轴向上游热电堆测温正电极；附图标记31为镂空圆形中心热源加热正电极；附图标记32为Y轴向下游热电堆测温负电极；附图标记33为Y轴向下游热电堆测温正电极；附图标记34为45°轴向下游热电堆测温负电极。
基于上述传感器，本发明提供了一种双轴多向MEMS热式流量传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、如图5所示，将P型双抛硅片进行清洗处理再减薄，得到减薄后的硅片结构1。
具体为：将P型双抛硅片按照标准依次放于丙酮、无水乙醇和去离子水中分别超声处理10-60分钟，最后将其放于热板上以100℃加热半个小时清洗处理，清洗完成后进行处理减薄至150-250um厚度，形成减薄后的硅片结构1。
步骤2、如图6所示，通过掩膜设计，将减薄后的硅片结构1进行电化学腐蚀法得到固态多孔隔热结构2。
具体为：使用的电解液为40%的氢氟酸与99.7%的无水乙醇，体积比为 1∶1；电解条件为电流密度80~120mA/cm2，最终形成孔隙率为50~70％，厚度为80~110 um的固态多孔隔热结构2。
步骤3、如图7所示，在固态多孔隔热结构2的表面沉积一层氧化硅支撑层3，在氧化硅支撑层3的表面沉积一层氮化硅支撑层4。
具体为：在固态多孔隔热结构2的表面进行化学气相沉积工艺沉积一层厚度在0.1~5um的氧化硅支撑层3，在氧化硅支撑层3的表面利用正面低压化学气相沉积一层厚度在0.01~0.5um的氮化硅支撑层4。
步骤4、如图4、图7所示，在氮化硅支撑层4的表面通过磁控溅射工艺溅射一层铂薄膜（此处铂薄膜为制备过程中的结构，未在图中标示），然后结合光刻掩膜版对铂薄膜进行反应离子刻蚀图形化形成镂空圆形中心热源5。
具体为：采用磁控溅射沉积方法：保护气体为N2、真空度控制为为8×10-4Pa、溅射速率0.18nm/min、磁控溅射沉积的处理电流为40mA，在氮化硅支撑层的表面沉积一层厚度为0.05~0.5um的铂薄膜。然后在没有反应的混合气体氯气、氦气和氩气下通过RIE反应离子刻蚀完成镂空圆形中心热源结构图案转移；其中，氦气和氩气作为辅助气体，氯气作为主要刻蚀气体，铂薄膜的刻蚀速率为12nm/min；在满足50-150W的功率以及氦气的流量1~10sccm，氩气的流量20~50sccm和氯气的流量5~20sccm等情况下进行刻蚀成镂空圆形中心热源5。
步骤5、如图4、图8-9所示，再在氮化硅支撑层4的表面制作热电堆37和芯片本体电极PAD。
具体为：在氮化硅支撑层4表面利用等离子增强化学气相淀积工艺溅射一层厚度在0.1~5um的多晶硅，采用离子注入及扩散的方法掺杂磷离子形成N型多晶硅半导体（此处多晶硅和N型多晶硅半导体为制备过程中的结构，未在图中标示），光刻图形化形成热电堆下层热电偶6；再在图形化后的下层热电偶6表面低压化学气相沉积一层厚度在0.05~0.5um的氧化硅7进行电隔离；在电隔离层氧化硅7表面再利用等离子增强化学气相淀积工艺溅射一层厚度在0.1~5um的多晶硅，采用同样的离子注入及扩散的方法掺杂硼离子形成P型多晶硅半导体，光刻图形化形成热电堆上层热电偶8；在图形化后的上层热电偶8表面低压化学气相沉积一层厚度在0.05~0.5um的保护隔离氧化硅层9；最后进行光刻形成热端连接通孔10、冷端连接通孔11，中心表面露出镂空圆形中心热源5；在保护隔离氧化硅层9表面进行金属磁控溅射沉积一层厚度0.01~10um的铝（此处铝为制备过程中的结构，未在图中标示），进行光刻图形化得到第一金属导线12、第二金属导线13和连接导线结构、芯片本体电极PAD，热端连接通孔10覆盖第一金属导线12使同一热偶对（如图4所示，热电堆37由多个相邻的热偶对组成）中下层热电偶6与上层热电偶8在热端直接相连，冷端连接通孔11覆盖第二金属导线13使一个热偶对的下层热电偶6与相邻的热偶对的上层热电偶8冷端相连；同时进行电连接形成连接导线结构及芯片本体电极PAD。热电堆37靠近中心热源5的一端为热端，远离中心热源5的一端为冷端。
步骤6、如图9-10所示，在镂空圆形中心热源5的顶部制作单层有序聚苯乙烯微球阵列14；对单层有序聚苯乙烯微球阵列进行磁增强反应离子刻蚀形成一层微阵列微针圆锥结构15；
具体为：取30μL含量为2.5wt％，直径为0.5~2um的聚苯乙烯微球悬浮液，无水乙醇等体积混合，再进行30min的超声震荡，超声频率40KHz，功率1000W，制得分散均匀的聚苯乙烯微球乙醇稀释液备用；将上述芯片利用双面胶固定于一块可移动塑料平板上，将制备好的0.5~2um聚苯乙烯微球乙醇稀释液利用表面张力在硅片上进行自组装，然后采用气-液界面自组装方法在上述芯片上制备出0.5~2um的单层有序聚苯乙烯微球阵列14；将上述单层有序聚苯乙烯微球阵列14进行磁增强反应离子刻蚀，用六氟化硫和氧气作为刻蚀气体，刻蚀的电流控制在3A、六氟化硫气体流量控制在50~150sccm、氧气流量控制在10~50sccm、气体压强维持在1-4Pa、刻蚀功率控制在250W、刻蚀时间为140s；然后采用CH2Cl2将聚苯乙烯微球洗去即得在铂表面顶部形成一层微阵列微针圆锥结构15。
步骤7、如图3所示，在芯片本体35的顶部沉积碳化硅保护层16。
具体为：在芯片本体35的顶部进行等离子体增强化学气相沉积法沉积厚度在0.01~1um的碳化硅保护层16。
步骤8、如图1-2所示，在电路板17上开设凹槽19，将芯片本体35封装于凹槽19内。
具体为：将芯片本体35进行嵌入式封装在已挖凹槽19的电路板17内部，使芯片本体35的敏感面与电路板17表面基本平齐，例如图1中芯片本体35的顶部稍露出于电路板17的表面上方。
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 (2)
1.一种双轴多向MEMS热式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再减薄，得到减薄后的硅片结构；
步骤2、通过掩膜设计，将减薄后的硅片结构进行电化学腐蚀法得到固态多孔隔热结构；
步骤3、在固态多孔隔热结构的表面沉积一层氧化硅支撑层，在氧化硅支撑层的表面沉积一层氮化硅支撑层；
步骤4、在氮化硅支撑层的表面通过磁控溅射工艺溅射一层铂薄膜，然后结合光刻掩膜版对铂薄膜进行反应离子刻蚀图形化形成镂空圆形中心热源结构；
步骤5、再在氮化硅支撑层的表面制作热电堆和芯片本体电极；
步骤6、在镂空圆形中心热源结构的顶部制作单层有序聚苯乙烯微球阵列；对单层有序聚苯乙烯微球阵列进行磁增强反应离子刻蚀形成一层微阵列微针圆锥结构；
步骤7、在芯片本体的顶部沉积碳化硅保护层；
步骤8、在电路板上开设凹槽，将芯片本体封装于凹槽内。
2.根据权利要求1所述的一种双轴多向MEMS热式流量传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤6包括：
步骤6-1、取聚苯乙烯微球悬浮液和无水乙醇等体积混合，再进行超声震荡，制得聚苯乙烯微球乙醇稀释液；
步骤6-2、将芯片本体利用双面胶固定于可移动塑料平板上，将上述聚苯乙烯微球乙醇稀释液利用表面张力在芯片本体上进行自组装，然后采用气-液界面自组装方法在芯片本体上制备出单层有序聚苯乙烯微球阵列；
步骤6-3、将上述单层有序聚苯乙烯微球阵列进行磁增强反应离子刻蚀，然后采用CH2Cl2将聚苯乙烯微球洗去，形成一层微阵列微针圆锥结构。
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