CN115420341B - 一种背面接触型mems热式流量传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种背面接触型MEMS热式流量传感器及制备方法，该传感器包括导热衬底（100）、隔热衬底（200）、加热电阻（101）、测温热电堆（300）。其中加热电阻对称设计在传感器中间位置，其两侧相同距离处对称分布两个测温热电堆。本发明采用硅衬底与玻璃晶圆的阳极键合工艺以及高温热回流工艺生成的隔热衬底，可以提供加热元件和测温元件之间良好的热隔离，降低传感器因为横向热传导损耗的功率。高热导率导热衬底的使用可以提高流体与芯片表面的热交换效率，提高了器件的灵敏度与最大量程。

Description

一种背面接触型MEMS热式流量传感器及制备方法

技术领域

本发明涉及流量传感器制备技术领域，具体为一种基于双层热电堆的背面接触型MEMS热式流量传感器及制备方法。

背景技术

流量的准确测量可以为工业生产、科学研究和医疗健康等许多领域提供重要信息。目前常用的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、响应快、功耗低等诸多优点而得到广泛应用。

基于热温差原理的MEMS热式流量传感器可以按不同的控制模式进行分类，常见的控制模式包括：恒定电压模式、恒定电流模式、恒定功率模式、恒定温差模式和温度平衡模式。其中恒定温差模式最为常用，该模式通过反馈回路控制芯片温度以一个恒定的温差高于环境温度，有效抑制了环境温度对传感器测量结果产生的影响。但是该模式的缺点在于它需要一个外置的环境温度传感器，因此增大了系统的复杂程度。

流量传感器可能会受到周围环境和使用条件的影响，例如灰尘堆积在流路和传感器芯片上时，导致输出特性发生变化。传统的MEMS热式流量传感器采用正面感应方式，感温元件和加热元件会与外界流体直接接触，长期使用可能会对传感器芯片的敏感元件产生损害，影响测量精度。

发明内容

技术问题，为解决上述问题，本发明提供了一种基于双层热电堆的背面接触型MEMS热式流量传感器，通过形成硅-玻璃混合衬底，达到减少热量损失、降低器件功耗的目的，并且使用多个加热电阻，有利于扩大加热范围，提高热量利用效率。

技术方案：为达到上述目的，本发明的一种基于双层热电堆的背面接触型MEMS热式流量传感器包括：导热衬底、隔热衬底、加热电阻、测温热电堆，其中，导热衬底由隔热衬底分隔成若干个部分，导热衬底与隔热衬底的高度一致，有效降低了热量在衬底内的横向传递；导热衬底具有导热衬底第一表面、导热衬底第二表面；隔热衬底具有隔热衬底第一表面、隔热衬底第二表面；

加热电阻形成于导热衬底的导热衬底第二表面上方，共有两个对称分布在所述流量传感器中线两侧，加热电阻上方具有加热电阻绝缘层和用于引出加热电阻的第二通孔，以及用于连接加热电阻的引线与第一金属电极；

测温热电堆包括第一感温材料层、第一绝缘层、第二感温材料层；其上方具有第二绝缘层、引线与第二金属电极；测温热电堆形成于导热衬底和隔热衬底的导热衬底第二表面、隔热衬底第二表面上方，测温热电堆共有两个对称分布于两个加热电阻外侧；位于测温热电堆最上方的第二绝缘层通过第一通孔引出引线与第二金属电极连接。

所述导热衬底为兼容CMOS工艺的半导体高热导率导热衬底，可以在所述衬底表面形成氧化层。

所述隔热衬底的材料具有与导热衬底相同的热膨胀系数。

所述导热衬底为单晶硅衬底；所述隔热衬底的材料为Pyrex7740玻璃。

所述测温热电堆由多组热电偶串联形成，每组热电偶包括上下两层堆叠的两种材料，两种材料之间由第一绝缘层隔绝开；所述测温热电堆的冷端位于隔热衬底上方，所述测温热电堆的热端位于导热衬底上方。

所述测温热电堆上下两层堆叠的两种材料之间的绝缘层材料为氧化硅、氮化硅中的一种。

所述加热电阻的材料为金属、N型多晶硅或P型多晶硅中的一种。

所述测温热电堆的材料为金属、N型多晶硅或P型多晶硅中的两种的组合。

所述引线与第一金属电极、引线与第二金属电极的材料为钛、钨、铬、铂、铝或金中的一种。

本发明的背面接触型MEMS热式流量传感器的制备方法包括以下步骤：

S1、提供一高热导率导热衬底，于该导热衬底上的导热衬底第一表面上图形光刻；

S2、于所述导热衬底第一表面上刻蚀出深凹槽；

S3、于所述导热衬底第一表面上键合隔热衬底，并使隔热衬底填充所述深凹槽；

S4、对所述隔热衬底第一表面和导热衬底第二表面进行减薄抛光；

S5、于所述导热衬底第二表面、隔热衬底第二表面上生成加热电阻和第一感温材料层；

S6、于所述第一感温材料层上生成第一绝缘层，并刻蚀出第三通孔；

S7、于所述第一绝缘层上生成第二感温材料层；

S8、于所述第二感温材料层和加热电阻上生成第二绝缘层和加热电阻绝缘层，并刻蚀出第一通孔、第二通孔；

S9、在所述隔热衬底第二表面和第二绝缘层、加热电阻绝缘层上生成引线与第二金属电极、引线与第一金属电极。

有益效果：通过上述技术方案，本发明提供的一种基于双层热电堆的背面接触型MEMS热式流量传感器及制备方法，具有以下：

本发明在MEMS热式流量传感器中对称设置第一加热电阻和第二加热电阻，能够扩大加热范围，提高热量利用效率，提高了测量精度和灵敏度。通过将热电偶热端与冷端分别设置在导热衬底和隔热衬底上，增强塞贝克效应，进一步提高测量精度。

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1a为本发明实施例所公开的基于双层热电堆的背面接触型MEMS热式流量传感器的侧面结构示意图；

图1b为测温热电堆的放大图，

图1c为加热电阻的放大图；

图2为本发明实施例所公开的基于双层热电堆的背面接触型MEMS热式流量传感器的制作方法流程图；

图3为本发明实施例所公开的制作方法中步骤S1制得结构的剖面结构示意图；

图4为本发明实施例所公开的制作方法中步骤S2制得结构的剖面结构示意图；

图5为本发明实施例所公开的制作方法中步骤S3制得结构的剖面结构示意图；

图6为本发明实施例所公开的制作方法中步骤S4制得结构的剖面结构示意图；

图7为本发明实施例所公开的制作方法中步骤S5制得结构的剖面结构示意图；

图8为本发明实施例所公开的制作方法中步骤S6制得结构的剖面结构示意图；

图9为本发明实施例所公开的制作方法中步骤S7制得结构的剖面结构示意图；

图10为本发明实施例所公开的制作方法中步骤S8制得结构的剖面结构示意图；

图11为本发明实施例所公开的制作方法中步骤S9制得结构的剖面结构示意图；

图12为本发明实施例所公开的制作方法中步骤S5制得结构的俯视结构示意图；

图13为本发明实施例所公开的制作方法中步骤S6制得结构的俯视结构示意图；

图14为本发明实施例所公开的制作方法中步骤S7制得结构的俯视结构示意图；

图15为本发明实施例所公开的制作方法中步骤S9制得结构的俯视结构示意图；

图中有：光刻胶10、第三通孔20、第一通孔21、第二通孔22、导热衬底100、隔热衬底200、导热衬底第一表面110、导热衬底第二表面120、隔热衬底第一表面210、隔热衬底第二表面220、加热电阻101、加热电阻绝缘层102、引线与第二金属电极201、引线与第一金属电极103、第一感温材料层301、第一绝缘层302、第二感温材料层303、第二绝缘层304、测温热电堆300。

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。

本发明提供了一种基于双层热电堆的背面接触型MEMS热式流量传感器，包括：导热衬底100；隔热衬底200；加热电阻101共两个，对称分布在两个测温热电堆内侧；

导热衬底100由隔热衬底200分隔成若干个部分，导热衬底100与隔热衬底200的高度一致，有效降低了热量在衬底内的横向传递；导热衬底100具有导热衬底第一表面110、导热衬底第二表面120；隔热衬底200具有隔热衬底第一表面210、隔热衬底第二表面220；导热衬底100的材料为半导体衬底；在本发明的实施例中，导热衬底100采用硅衬底。隔热衬底200的材料为隔热非金属衬底；在本发明的实施例中，隔热衬底200采用Pyrex7740玻璃。

加热电阻101形成于导热衬底100的导热衬底第二表面120上方，共有两个对称分布在所述流量传感器中线两侧，加热电阻101上方具有加热电阻绝缘层102和用于引出加热电阻的第二通孔22，以及用于连接加热电阻101的引线与第一金属电极103；第二通孔22被金属电极材料完全填充成为引线与第一金属电极103的一部分。加热电阻101的材料为P型多晶硅、N型多晶硅、金属中的一种；在本发明的实施例中，加热电阻101采用N型多晶硅。

测温热电堆300包括第一感温材料层301、第一绝缘层302、第二感温材料层303;其上方具有第二绝缘层304、引线与第二金属电极201；测温热电堆300形成于导热衬底100和隔热衬底200的导热衬底第二表面120、隔热衬底第二表面220上方，测温热电堆300共有两个对称分布于两个加热电阻101外侧；位于测温热电堆300最上方的第二绝缘层304通过第一通孔21引出引线与第二金属电极201连接。 第一通孔21被金属电极材料完全填充成为引线与第二金属电极201的一部分。

第一感温材料层301，第二感温材料层303，通过第三通孔20连接形成热电堆。其热端部分加工于导热衬底上方，冷端部分加工于隔热衬底上方；第一感温材料层301和第二感温材料层303的材料具有较大塞贝克系数差异；在本发明的实施例中，第一感温材料层为N型多晶硅，第二感温材料层为P型多晶硅；第三通孔20被感温材料填充后成为第二感温材料层303的一部分。

第一绝缘层302，位于第一感温材料层301上方，其中被刻蚀出用于连接第二感温材料层303的第三通孔20。第一绝缘层302、第二绝缘层304、加热电阻绝缘层102的材料为氧化硅、氮化硅中的一种；在本发明的实施例中，第一绝缘层302、第二绝缘层304、加热电阻绝缘层102采用氮化硅。

第二绝缘层304，位于第二感温材料层303上方，其中被刻蚀出用于连接引线与第二金属电极201的第一通孔21;加热电阻绝缘层102位于加热电阻101上方，其中被刻蚀出用于连接引线与第一金属电极103的第二通孔22；

引线与第一金属电极103、引线与第二金属电极201，分别引出加热电阻101与测温热电堆300；引线与第一金属电极103、引线与第二金属电极201的材料为钛、钨、铬、铂、铝、金中的一种；在本发明的实施例中，引线与第一金属电极103、引线与第二金属电极201采用金材料；

需要说明的是，与未设置隔热衬底相比，引入隔热衬底的设计可以提供加热电阻101和测温热电堆300之间良好的热隔离，减少热传导损耗，有效降低了器件的使用功耗；使用高热导率的导热衬底可以提高流体与芯片表面的换热效率。

本发明还提供上述基于双层热电堆的背面接触型MEMS热式流量传感器的制备方法，如图2所示，包括如下步骤：

S1、提供一高热导率导热衬底100，在该导热衬底上的导热衬底第一表面110上图形光刻，如图3所示；

S2、于所述导热衬底第一表面110刻蚀出深凹槽，如图4所示；

具体地，采用DRIE技术在所述导热衬底第一表面进行刻蚀形成深凹槽。

S3、于所述导热衬底第一表面上键合隔热衬底200，并使隔热衬底填充所述深凹槽，如图5所示；

具体地，隔热衬底的隔热材料为Pyrex7740玻璃，通过阳极键合工艺使导热衬底100与Pyrex7740玻璃晶圆隔热衬底键合；通过高温热回流工艺填充深凹槽。图5中，导热衬底第一表面110与隔热衬底第二表面220相接触重合。

S4、对所述隔热衬底第一表面210和导热衬底第二表面120进行减薄抛光，如图6所示；

具体地，通过机械减薄和化学机械抛光工艺对晶圆两面进行处理，使得隔热衬底与导热衬底水平。

S5、于所述导热衬底第二表面120、隔热衬底第二表面220上生成加热电阻101和第一感温材料层301，如图7和图12所示；

具体地，第一感温材料层301的材料为N型多晶硅，P型多晶硅，金属中的一种，通过PECVD技术形成，在本发明的实施例中，第一感温材料层301的材料为N型多晶硅；加热电阻101的材料为N型多晶硅，P型多晶硅，金属中的一种，通过PECVD技术形成，或通过电子束蒸镀结合金属剥离工艺形成，在本发明的实施例中，加热电阻101的材料为N型多晶硅，通过PECVD技术形成。加热电阻101生成于导热衬底第二表面120上方；第一感温材料层301部分生成于导热衬底第二表面120上方，部分生成于隔热衬底第二表面220上方；

S6、于所述第一感温材料层301上生成第一绝缘层302，并刻蚀出第三通孔20，如图8和图13所示；

具体地，第一绝缘层302的材料为氧化硅，氮化硅中的一种，通过PECVD技术形成，在本发明的实施例中，第一绝缘层302的材料为氮化硅；第三通孔20作为第一感温材料层301和第二感温材料层303的连接通道，通过RIE、IBE等干法刻蚀工艺形成，在本发明的实施例中，第三通孔20通过RIE工艺形成；

S7、于所述第一绝缘层302上生成第二感温材料层303，如图9和图14所示；

具体地，第二感温材料层303的材料为N型多晶硅，P型多晶硅，金属中的一种，通过PECVD技术形成，在本发明的实施例中，第二感温材料层303的材料为P型多晶硅；第三通孔20被感温材料填充后成为第二感温材料层303的一部分;

S8、于所述第二感温材料层303和加热电阻101上生成第二绝缘层304和加热电阻绝缘层102，并刻蚀出第一通孔21和第二通孔22，如图10所示；

具体地，第二绝缘层304的材料为氧化硅，氮化硅中的一种，通过PECVD技术形成，在本发明的实施例中，第二绝缘层304的材料为氮化硅。第一通孔21和第二通孔22作为引线与第二金属电极201、引线与第一金属电极103与加热电阻101和第二感温材料层303的连接通道，通过RIE、IBE等干法刻蚀工艺形成，在本发明的实施例中，第一通孔21和第二通孔22通过RIE工艺形成；

S9、于所述隔热衬底第二表面220和第二绝缘层304、加热电阻绝缘层102上生成引线与第二金属电极201、引线与第一金属电极103，如图11和图15所示。

具体地，引线与第一金属电极103、引线与第二金属电极201的材料为钛、钨、铬、铂、铝、金中的一种，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，引线与第一金属电极103、引线与第二金属电极201的材料为金，通过剥离工艺形成。第二通孔22被金属电极材料填充后成为引线与第一金属电极103的一部分；第一通孔21被金属电极材料填充后成为引线与第二金属电极201的一部分。

Claims (9)

1.一种背面接触型MEMS热式流量传感器，其特征在于，该传感器包括：导热衬底（100）、隔热衬底（200）、加热电阻（101）、测温热电堆（300），其中，

导热衬底（100）由隔热衬底（200）分隔成若干个部分，导热衬底（100）与隔热衬底（200）的高度一致，有效降低了热量在衬底内的横向传递；导热衬底（100）具有导热衬底第一表面（110）、导热衬底第二表面（120）；隔热衬底（200）具有隔热衬底第一表面（210）、隔热衬底第二表面（220）；

加热电阻（101）形成于导热衬底（100）的导热衬底第二表面（120）上方，共有两个对称分布在所述流量传感器中线两侧，加热电阻（101）上方具有加热电阻绝缘层（102）和用于引出加热电阻的第二通孔（22），以及用于连接加热电阻（101）的引线与第一金属电极（103）；

测温热电堆（300）包括第一感温材料层（301）、第一绝缘层（302）、第二感温材料层（303）；其上方具有第二绝缘层（304），引线与第二金属电极（201）；测温热电堆（300）形成于导热衬底（100）和隔热衬底（200）的导热衬底第二表面（120）、隔热衬底第二表面（220）上方，测温热电堆（300）共有两个对称分布于两个加热电阻（101）外侧；位于测温热电堆（300）最上方的第二绝缘层（304）通过第一通孔（21）引出引线与第二金属电极（201）连接；

所述测温热电堆（300）由多组热电偶串联形成，每组热电偶包括上下两层堆叠的两种材料，两种材料之间由第一绝缘层（302）隔绝开；所述测温热电堆的冷端位于隔热衬底（200）上方，所述测温热电堆的热端位于导热衬底（100）上方。

2.根据权利要求1所述的背面接触型MEMS热式流量传感器，其特征在于，所述导热衬底（100）为兼容CMOS工艺的半导体高热导率导热衬底，可以在所述导热衬底（100）表面形成氧化层。

3.根据权利要求1所述的背面接触型MEMS热式流量传感器，其特征在于，所述隔热衬底（200）的材料具有与导热衬底（100）相同的热膨胀系数。

4.根据权利要求2或3所述的背面接触型MEMS热式流量传感器，其特征在于，所述导热衬底（100）为单晶硅衬底；所述隔热衬底（200）的材料为Pyrex7740玻璃。

5.根据权利要求1所述的背面接触型MEMS热式流量传感器，其特征在于，所述测温热电堆（300）上下两层堆叠的两种材料之间的绝缘层材料为氧化硅、氮化硅中的一种。

6.根据权利要求1所述的背面接触型MEMS热式流量传感器，其特征在于，所述加热电阻（101）的材料为金属、N型多晶硅或P型多晶硅中的一种。

7.根据权利要求1所述的背面接触型MEMS热式流量传感器，其特征在于，所述测温热电堆（300）的第一感温材料层（301）、第二感温材料层（303）的材料为金属、N型多晶硅或P型多晶硅中的两种的组合。

8.根据权利要求1所述的背面接触型MEMS热式流量传感器，其特征在于，所述引线与第一金属电极（103）、引线与第二金属电极（201）的材料为钛、钨、铬、铂、铝或金中的一种。

9.一种如权利要求1所述的背面接触型MEMS热式流量传感器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：

S1、提供一高热导率导热衬底（100），于该导热衬底（100）上的导热衬底第一表面（110）上图形光刻；

S2、于所述导热衬底第一表面（110）上刻蚀出深凹槽；

S3、于所述导热衬底第一表面（110）上键合隔热衬底（200），并使隔热衬底填充所述深凹槽；

S4、对所述隔热衬底第一表面（210）和导热衬底第二表面（120）进行减薄抛光；

S5、于所述导热衬底第二表面（120）、隔热衬底第二表面（220）上生成加热电阻（101）和第一感温材料层（301）；

S6、于所述第一感温材料层（301）上生成第一绝缘层（302），并刻蚀出第三通孔（20）；

S7、于所述第一绝缘层（302）上生成第二感温材料层（303）；

S8、于所述第二感温材料层（303）和加热电阻（101）上生成第二绝缘层（304）和加热电阻绝缘层（102），并刻蚀出第一通孔（21）、第二通孔（22）；

S9、在所述隔热衬底第二表面（220）和第二绝缘层（304）、加热电阻绝缘层（102）上生成引线与第二金属电极（201）、引线与第一金属电极（103）。

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