CN115218975A - 一种mems热温差式流量传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MEMS热温差式流量传感器及其制作方法，该流量传感器包括：衬底，设有隔热腔体；介质层，形成于衬底及隔热腔体的上表面；微加热器及热敏电阻，形成于介质层的上表面，且微加热器及热敏电阻局部位于隔热腔体的上方；铂黑，至少覆盖部分微加热器及热敏电阻。本发明所公开的流量传感器制备过程简单，可控性强，兼容性高；通过在微加热器及热敏电阻上形成铂黑，有利于增大其表面积，从而加快与气体分子之间的换热效率，提高器件的灵敏度；此外，表面积的增大还有利于提高微加热器的热利用率，从而起到降低功耗的作用。

Description

一种MEMS热温差式流量传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及属于流量测量技术领域，特别涉及一种MEMS热温差式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：位于中心的微加热器和对称分布在微加热器上下游的感温元件(热敏电阻或热电堆)。微加热器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，表面温度以微加热器为中心呈正态分布，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MEMS热温差式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MEMS热温差式流量传感器，包括：

衬底，设有隔热腔体；

介质层，形成于衬底及隔热腔体的上表面；

微加热器及热敏电阻，形成于介质层的上表面，且微加热器及热敏电阻局部位于隔热腔体的上方；

铂黑，至少覆盖部分微加热器及热敏电阻。

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，所述热敏电阻的数量为两个，对称分布在微加热器的两侧。

上述方案中，所述微加热器和热敏电阻的材料为铂或钛/铂或铬/铂。

一种MEMS热温差式流量传感器的制作方法，包括如下步骤：

S1、提供一衬底，于衬底上形成介质层；

S2、于介质层上形成微加热器和热敏电阻；

S3、于至少部分微加热器、热敏电阻上形成铂黑；

S4、对衬底进行释放，形成隔热腔体。

上述方案中，所述微加热器和热敏电阻的材料为铂或钛/铂或铬/铂，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。

上述方案中，所述铂黑通过电镀的方法形成。

上述方案中，所述隔热腔体通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法对衬底进行释放而形成。

通过上述技术方案，本发明提供的一种MEMS热温差式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，且制备过程简单，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微加热器和热敏电阻上形成铂黑，铂黑的疏松微孔状结构有利于增大微加热器和热敏电阻的表面积，从而加快与气体分子的换热效率，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为本发明实施例所公开的MEMS热温差式流量传感器的制作方法流程示意图；

图2a为本发明实施例所公开的制备方法中步骤S1制得结构的剖面结构示意图；

图2b为本发明实施例所公开的制备方法中步骤S1制得结构的立体结构示意图；

图3a为本发明实施例所公开的制备方法中步骤S2制得结构的剖面结构示意图；

图3b为本发明实施例所公开的制备方法中步骤S2制得结构的立体结构示意图；

图4a为本发明实施例所公开的制备方法中步骤S3制得结构的剖面结构示意图；

图4b为本发明实施例所公开的制备方法中步骤S3制得结构的立体结构示意图；

图5a为本发明实施例所公开的制备方法中步骤S4制得结构的剖面结构示意图；

图5b为本发明实施例所公开的制备方法中步骤S4制得结构的立体结构示意图；

图中，10、硅衬底；20、介质层；30、微加热器；40、热敏电阻；50、铂黑；60、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MEMS热温差式流量传感器，如图5a和图5b所示，包括：

衬底10，设有隔热腔体60；

介质层20，形成于衬底10及隔热腔体60的上表面；

微加热器30及热敏电阻40，形成于介质层20的上表面，且微加热器30及热敏电阻40局部位于隔热腔体60的上方；

铂黑50，至少覆盖部分微加热器30及热敏电阻40。

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60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60由衬底10的下表面向内贯穿衬底10形成。

具体地，介质层20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，介质层20由氧化硅和氮化硅复合而成。

具体地，热敏电阻40的数量为两个，对称分布在微加热器30的两侧；微加热器30和热敏电阻40的材料为铂或钛/铂或铬/铂，本实施例中，微加热器30和热敏电阻40的材料均为铂。

需要说明的是，部分微加热器30及热敏电阻40用作电极，以在应用过程中与外部电路实现电连接。

需要说明的是，铂黑50呈疏松微孔状，有利于增大微加热器30以及热敏电阻40的表面积，从而加快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，表面积的增大还有利于提高微加热器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MEMS热温差式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上形成介质层20，如图2a和图2b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，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，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、于介质层20上形成微加热器30和热敏电阻40，如图3a及3b所示；

具体地，热敏电阻40的数量为两个，对称分布在微加热器30的两侧；微加热器30和热敏电阻40的材料为铂或钛/铂或铬/铂，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，微加热器30和热敏电阻40的材料均为铂，采用剥离工艺形成。

S3、于至少部分微加热器30、热敏电阻40上形成铂黑50，如图4a和图4b所示；

具体地，通过电镀的方法形成铂黑50；铂黑50的疏松微孔状结构有利于增大微加热器30以及热敏电阻40的表面积，从而加快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，表面积的增大还有利于提高微加热器30的热利用率，从而起到降低功耗的作用。

S4、于衬底10的下表面对衬底10进行释放，形成隔热腔体60，如图5a及5b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60，隔热腔体60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60。

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，且制备过程简单，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微加热器和热敏电阻上形成铂黑，有利于增大微加热器和热敏电阻的表面积，从而加快与气体分子的换热效率，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。

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MEMS热温差式流量传感器，其特征在于，包括：

衬底，设有隔热腔体；

介质层，形成于衬底及隔热腔体的上表面；

微加热器及热敏电阻，形成于介质层的上表面，且微加热器及热敏电阻局部位于隔热腔体的上方；

铂黑，至少覆盖部分微加热器及热敏电阻。

2.根据权利要求1所述的一种MEMS热温差式流量传感器，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衬底的一种。

3.根据权利要求1所述的一种MEMS热温差式流量传感器，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MEMS热温差式流量传感器，其特征在于，所述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MEMS热温差式流量传感器，其特征在于，所述热敏电阻的数量为两个，对称分布在微加热器的两侧。

6.根据权利要求1所述的一种MEMS热温差式流量传感器，其特征在于，所述微加热器和热敏电阻的材料为铂或钛/铂或铬/铂。

7.一种如权利要求1所述的MEMS热温差式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，于衬底上形成介质层；

S2、于介质层上形成微加热器和热敏电阻；

S3、于至少部分微加热器、热敏电阻上形成铂黑；

S4、对衬底进行释放，形成隔热腔体。

8.根据权利要求7所述的一种MEMS热温差式流量传感器的制作方法，其特征在于，所述微加热器和热敏电阻的材料均为铂，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。

9.根据权利要求7所述的一种MEMS热温差式流量传感器的制作方法，其特征在于，所述铂黑通过电镀的方法形成。

10.根据权利要求1所述的一种MEMS热温差式流量传感器，其特征在于，所述隔热腔体通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法对衬底进行释放而形成。

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