CN115218974A - 一种具有微纳结构表面的mems流量传感器及其制作方法 - Google Patents

一种具有微纳结构表面的mems流量传感器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器及其制作方法，该传感器，包括：衬底，设有隔热腔体；第一介质层，形成于衬底及隔热腔体上；加热元件及感温元件，形成于第一介质层上，感温元件对称分布于加热元件的两侧，且加热元件及感温元件局部位于隔热腔体的上方；第二介质层，覆盖加热元件及感温元件，且至少部分第二介质层上设有微纳结构；金属层，通过第二介质层中的接触孔与加热元件及感温元件连接。本发明通过在加热元件和部分感温元件的上方形成微纳结构，可在不改变器件尺寸的前提下增大其表面积，从而加快气体与器件之间的换热效率，提高流量传感器的灵敏度；表面积的增大还有利于提高加热元件的热利用率，从而起到降低功耗的作用。

Description

一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器及其制作方法
技术领域
本发明属于流量测量技术领域，特别涉及一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器及其制作方法。
背景技术
流量测量是工业生产和科学研究的基本需求。流量传感器种类繁多，其中，基于MEMS技术制作的热温差式流量传感器因具有结构简单、尺寸小、精度高、响应速度快等诸多优点而得到广泛应用。
MEMS热温差式流量传感器的物理基础是热传递，其结构主要包括集成在同一基底上的三个元件：位于中心的加热元件和对称分布在加热元件上下游的感温元件(热敏电阻或热电堆)。加热元件提供一定的功率以使表面温度高于环境温度，当无气体流动时，表面温度以加热元件为中心呈正态分布，上下游感温元件具有相同的电信号；当有气体流动时，气体分子换热使表面的温度分布发生偏移，上下游感温元件的电信号随之产生差异，利用这种差异就可推算出气体流量。
高灵敏度和低功耗是流量传感器最重要的应用需求及发展方向，为此，人们提出了多种有效的技术方案，如采用热导率较小的悬浮膜结构来减小基底的热耗散；采用具有更高塞贝克系数的热电材料；采用更大的面积或更密的排列方式来增加热电堆的对数。然而，随着应用的不断推广和深入，流量传感器的灵敏度、功耗等性能亟需得到进一步提高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器及其制作方法，以达到提高流量传感器的灵敏度，并降低流量传感器的功耗的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器，包括：
衬底，设有隔热腔体；
第一介质层，形成于衬底及隔热腔体的上表面；
加热元件及感温元件，形成于第一介质层的上表面，感温元件对称分布于加热元件的两侧，且加热元件及感温元件局部位于隔热腔体的上方；
第二介质层，覆盖加热元件及感温元件，且至少部分第二介质层上设有微纳结构；
金属层，位于第二介质层上，且通过第二介质层上的接触孔与加热元件及感温元件连接。
上述方案中，所述衬底采用半导体衬底，包括硅衬底、锗衬底、SOI衬底、GeOI衬底中的一种。
上述方案中，所述隔热腔体由衬底的上表面向内凹入一定深度形成，或由衬底的下表面向内贯穿衬底形成。
上述方案中，所述第一介质层、第二介质层的材料为氧化硅、氮化硅的一种或两种组合。
上述方案中，所述加热元件的材料为P型多晶硅、N型多晶硅、金属的一种。
上述方案中，所述感温元件采用热敏电阻或热电堆；其中，热敏电阻的材料为具有正/负温度系数的金属，热电堆的材料为P型多晶硅/N型多晶硅的组合，或P型多晶硅/金属的组合，或N型多晶硅/金属的组合。
上述方案中，所述金属层的材料为钛、钨、铬、铂、铝、金中的一种或多种组合。
上述方案中，所述微纳结构位于加热元件及至少部分感温元件的上方，其截面形状包括矩形、三角形、梯形的一种。
一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器的制作方法，包括如下步骤：
S1、提供一衬底，于衬底上形成第一介质层；
S2、于第一介质层上形成加热元件和感温元件；
S3、于加热元件、感温元件上沉积第二介质层，随后于部分第二介质层上形成微纳结构，所述微纳结构位于加热元件及至少部分感温元件的上方；或者先在加热元件及至少部分感温元件上形成微纳结构，随后沉积第二介质层，此时第二介质层上表面即具有微纳结构；
S4、于第二介质层上形成接触孔，暴露部分加热元件及感温元件，并于所述接触孔上形成金属层；
S5、对衬底进行释放，形成隔热腔体。
上述方案中，所述微纳结构通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法形成。
通过上述技术方案，本发明提供的一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器及其制作方法，具有以下有益效果：
1、本发明基于MEMS技术制造的热温差式流量传感器，具有体积小、精度高、响应速度快等优点，且制作过程简单，可控性强，工艺兼容性高。
2、本发明利用MEMS工艺在流量传感器的加热元件和至少部分感温元件上方形成微纳结构，有利于在不改变尺寸的前提下增大其表面积，从而加快气体分子与器件之间的换热效率，达到提高器件灵敏度的目的；此外，表面积的增大使加热元件产生的热量更多地作用于器件的表面，即有利于提高加热元件的热利用率，从而起到降低功耗的作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例一和实施例二所公开的具有微纳结构表面的MEMS流量传感器的制作方法流程示意图；
图2为本发明实施例一和实施例二所公开的制作方法中步骤S1制得结构的剖面示意图；
图3为本发明实施例一和实施例二所公开的制作方法中步骤S2制得结构的剖面示意图；
图4为本发明实施例一所公开的制作方法中步骤S3制得结构的剖面示意图；
图5为图4的A部分局部放大图；
图6为本发明实施例一所公开的制作方法中步骤S4制得结构的剖面示意图；
图7为本发明实施例一所公开的制作方法中步骤S5制得结构的剖面示意图；
图8为本发明实施例二所公开的制作方法中步骤S3中在加热元件及至少部分感温元件上形成微纳结构的剖面示意图；
图9为图8的B部分局部放大图；
图10为本发明实施例二所公开的制作方法中步骤S3沉积第二介质层后制得结构的剖面示意图；
图11为图10的C部分局部放大图；
图12为本发明实施例二所制作的MEMS热温差式流量传感器剖面示意图。
图中，10、硅衬底；20、第一介质层；30、加热元件；40、感温元件；50、第二介质层；60、微纳结构；70、金属层；80、隔热腔体。
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。
本发明提供了一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器，如图7所示，包括：
衬底10，设有隔热腔体80；
第一介质层20，形成于衬底10及隔热腔体80的上表面；
加热元件30及感温元件40，形成于第一介质层20的上表面，感温元件40对称分布于加热元件30的两侧，且加热元件30及感温元件40局部位于隔热腔体80的上方；
第二介质层50，覆盖加热元件30及感温元件40，且至少部分第二介质层50上设有微纳结构60；
金属层70，位于第二介质层50上，且通过第二介质层50上的接触孔与加热元件30及感温元件40连接。
具体地，衬底10采用常见的半导体衬底，包括但不限于硅衬底、锗衬底、SOI衬底、GeOI衬底的一种；在本发明的实施例中，衬底10采用双面抛光的单晶硅衬底。
具体地，隔热腔体80由衬底10的上表面向内凹入一定深度形成，或由衬底10的下表面向内贯穿衬底10形成；在本发明的实施例中，隔热腔体80由衬底10的下表面向内贯穿衬底10形成。
具体地，第一介质层20、第二介质层50的材料为氧化硅、氮化硅的一种或两种组合；在本发明的实施例中，第一介质层20由氧化硅和氮化硅复合而成，第二绝缘层50的材料为氧化硅。
具体地，加热元件30的材料为P型多晶硅、N型多晶硅、金属的一种；在本发明的实施例中，加热元件30的材料为铂。
具体地，感温元件40可采用热敏电阻，也可采用热电堆；其中，热敏电阻的材料为具有正/负温度系数的金属，热电堆的材料为P型多晶硅/N型多晶硅的组合，或P型多晶硅/金属的组合，或N型多晶硅/金属的组合；在本发明的实施例中，感温元件40采用P型多晶硅/N型多晶硅构成的热电堆。
具体地，金属层70的材料为钛、钨、铬、铂、铝、金中的一种或多种组合；在本发明的实施例中，金属层70的材料为铬、金的组合。
需要说明的是，在本发明的实施例中，感温元件40中的P型多晶硅和N型多晶硅之间通过部分金属层70连接构成热电堆。
具体地，微纳结构60位于加热元件30及至少部分感温元件40的上方，其为具有一定深度的凹槽阵列，截面形状包括但不限于矩形、三角形、梯形的一种；在本发明的实施例中，微纳结构60位于加热元件30及靠近加热元件30一侧的部分感温元件40的上方，其截面形状为矩形。
需要说明的是，请参阅图12，在本发明的实施例二中，微纳结构60先形成于加热元件30及至少部分感温元件40的表面，然后传递到第二介质层50的表面。
微纳结构60的存在有利于增大表面积，从而加快流量传感器与气体分子之间的换热效率，提高流量传感器的灵敏度；此外，表面积的增大有利于提高加热元件30的热利用率，从而起到降低功耗的作用。
本发明还提供上述一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器的制作方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1、提供一衬底10，于衬底10上形成第一介质层20，如图2所示；
具体地，衬底10采用常见的半导体衬底，包括但不限于硅衬底、锗衬底、SOI衬底、GeOI衬底的一种；在本发明的实施例中，衬底10采用双面抛光的单晶硅衬底。
具体地，第一介质层20的材料为氧化硅、氮化硅的一种或两种组合，其中，氧化硅可通过热氧化、低压力化学气相沉积、等离子体化学气相沉积的方法形成，氮化硅可通过低压力化学气相沉积、等离子体化学气相沉积的方法形成；在本发明的实施例中，第一介质层20由氧化硅和氮化硅复合而成，其中，氧化硅通过热氧化的方法形成，氮化硅通过低压力化学气相沉积的方法形成。
S2、于第一介质层20上形成加热元件30和感温元件40，如图3所示；
具体地，加热元件30的材料为P型多晶硅、N型多晶硅、金属的一种，感温元件40可采用热敏电阻(其材料为具有正/负温度系数的金属)，也可采用热电堆(其材料为P型多晶硅/N型多晶硅的组合，或P型多晶硅/金属的组合，或N型多晶硅/金属的组合)；其中，P型多晶硅或N型多晶硅通过LPCVD、离子注入、退火、刻蚀等工艺的组合形成；金属通过剥离工艺形成，或通过先溅射或蒸镀后刻蚀的方法形成；在本发明的实施例中，加热元件30的材料为铂，采用剥离工艺形成；感温元件40采用热电堆，其材料为P型多晶硅和N型多晶硅，依次通过LPCVD、离子注入、退火、刻蚀等工艺的组合形成。
S3、于加热元件30、感温元件40上形成第二介质层50，随后于部分第二介质层50上形成微纳结构60，如图4和图5所示的实施例一；
具体地，第二介质层50的材料为氧化硅、氮化硅的一种或两种组合，其中，氧化硅可通过热氧化、低压力化学气相沉积、等离子体化学气相沉积的方法形成，氮化硅可通过低压力化学气相沉积、等离子体化学气相沉积的方法形成；在本发明的实施例中，第二介质层50的材料为氧化硅，采用等离子体化学气相沉积的方法形成。
具体地，微纳结构位于加热元件30及至少部分感温元件40的上方，通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法形成，其截面形状包括但不限于矩形、三角形、梯形的一种；在本发明的实施例中，微纳结构60位于加热元件30及靠近加热元件30一侧的部分感温元件40的上方，通过干法刻蚀的方法形成，其截面形状为矩形。
S4、于第二介质层50上形成接触孔，暴露部分加热元件30及感温元件40，并于所述接触孔上形成金属层70，如图6所示；
具体地，金属层80的材料为钛、钨、铬、铂、铝、金中的一种或多种组合，通过剥离工艺形成，或通过先溅射或蒸镀后刻蚀的方法形成；在本发明的实施例中，金属层70的材料为铬、金的组合，通过剥离工艺形成。
S5、于衬底10的下表面对衬底10进行释放，形成隔热腔体80，如图7所示；
具体地，可通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法对衬底10进行释放以形成隔热腔体80，隔热腔体80的截面形状为矩形或梯形；在本发明的实施例中，采用TMAH各向异性湿法腐蚀的方法形成具有梯形截面的隔热腔体80。
需要说明的是，形成隔热腔体80后，加热元件30及感温元件40的热端位于隔热腔体80的上方，感温元件40的冷端位于衬底10的上方。
需要说明的是，请参阅图8-图11，在本发明的实施例二中，先在加热元件30及至少部分感温元件40上形成微纳结构60，随后沉积第二介质层50，此时形成第二介质层50即已具有微纳结构60。通过该方法最终形成的MEMS热电堆式流量传感器如图12所示。
综上所述，本发明基于微纳结构的MEMS技术制造的热温差式流量传感器，具有体积小、精度高、响应速度快等优点，且制作过程简单，可控性强，工艺兼容性高；本发明利用MEMS工艺在流量传感器的加热元件和至少部分感温元件上方形成微纳结构，有利于在不改变尺寸的前提下增大其表面积，从而加快气体分子与器件之间的换热效率，提高器件的灵敏度；此外，表面积的增大使加热元件产生的热量更多地作用于器件的表面，即有利于提高加热元件的热利用率，从而起到降低功耗的作用。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器，其特征在于，包括：
衬底，设有隔热腔体；
第一介质层，形成于衬底及隔热腔体的上表面；
加热元件及感温元件，形成于第一介质层的上表面，感温元件对称分布于加热元件的两侧，且加热元件及感温元件局部位于隔热腔体的上方；
第二介质层，覆盖加热元件及感温元件，且至少部分第二介质层上设有微纳结构；
金属层，位于第二介质层上，且通过第二介质层上的接触孔与加热元件及感温元件连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器，其特征在于，所述衬底采用半导体衬底，包括硅衬底、锗衬底、SOI衬底、GeOI衬底中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器，其特征在于，所述隔热腔体由衬底的上表面向内凹入一定深度形成，或由衬底的下表面向内贯穿衬底形成。
4.根据权利要求1所述的一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器，其特征在于，所述第一介质层、第二介质层的材料为氧化硅、氮化硅的一种或两种组合。
5.根据权利要求1所述的一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器，其特征在于，所述加热元件的材料为P型多晶硅、N型多晶硅、金属中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器，其特征在于，所述感温元件采用热敏电阻或热电堆；其中，热敏电阻的材料为具有正/负温度系数的金属，热电堆的材料为P型多晶硅/N型多晶硅的组合，或P型多晶硅/金属的组合，或N型多晶硅/金属的组合。
7.根据权利要求1所述的一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器，其特征在于，所述金属层的材料为钛、钨、铬、铂、铝、金中的一种或多种组合。
8.根据权利要求1所述的一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器，其特征在于，所述微纳结构位于加热元件及至少部分感温元件的上方，其截面形状包括矩形、三角形、梯形的一种。
9.一种如权利要求1所述的具有微纳结构表面的MEMS流量传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、提供一衬底，于衬底上形成第一介质层；
S2、于第一介质层上形成加热元件和感温元件；
S3、于加热元件、感温元件上沉积第二介质层，随后于部分第二介质层上形成微纳结构，所述微纳结构位于加热元件及至少部分感温元件的上方；或者先在加热元件及至少部分感温元件上形成微纳结构，随后沉积第二介质层，此时第二介质层上表面即具有微纳结构；
S4、于第二介质层上形成接触孔，暴露部分加热元件及感温元件，并于所述接触孔上形成金属层；
S5、对衬底进行释放，形成隔热腔体。
10.根据权利要求9所述的一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器的制作方法，其特征在于，所述微纳结构通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法形成。
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