CN116046089A - 一种基于碳化硅pn结测温的高温MEMS热式流量传感器及制备方法 - Google Patents

一种基于碳化硅pn结测温的高温MEMS热式流量传感器及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于碳化硅pn结测温的高温MEMS热式流量传感器及制备方法，该传感器包括衬底，测温pn结，加热电阻，其中，加热电阻位于传感器中间位置，其两侧对称分布着测温pn结。本发明利用碳化硅加工工艺，在衬底上掺杂淀积生成碳化硅材料的加热电阻以及测温pn结。碳化硅作为一种耐高温材料，可以使加热电阻和测温pn结在高温下依然保持良好的工作性能，从而使流量传感器可以在高温下正常工作。

Description

一种基于碳化硅pn结测温的高温MEMS热式流量传感器及制备方法
技术领域
本发明属于流量传感器制备技术领域，尤其是涉及一种基于碳化硅pn结测温的高温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热式流量传感器主要由两个温度传感器和一个加热器组成，常见的MEMS温度传感器包括热电阻、热电偶、肖特基二极管、pn结二极管、场效应管等。其中，热电阻、热电偶等温度传感器最为常用于MEMS热式流量传感器，但存在线性度差，加工精度要求高，需要提前标定等缺点，在用于高温等复杂环境下时存在挑战。
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，会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元件产生损害。
发明内容
发明目的：为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于碳化硅pn结测温的高温MEMS热式流量传感器，通过利用碳化硅加工工艺制成耐高温和高强度的加热电阻以及测温pn结，其能够在高温复杂恶劣环境下保持良好的线性度。同时，该MEMS热式流量传感器采用背面接触的形式，能够将敏感元件与恶劣环境相隔绝，提高产品的耐用性。
技术方案：为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于碳化硅pn结测温的高温MEMS热式流量传感器，该传感器包括衬底100、测温pn结200、加热电阻300，其中，所述衬底100上设置有碳化硅层103，碳化硅层103包括第一碳化硅层、第二碳化硅层、第三碳化硅层，并且，第二碳化硅层位于衬底100的中间位置，第一碳化硅层和第三碳化硅层关于第二碳化硅层对称置于衬底100上；
所述加热电阻300包括碳化硅薄膜电阻301和加热电阻压焊块302，所述碳化硅薄膜电阻301位于第二碳化硅层上；两个加热电阻压焊块302分别与碳化硅薄膜电阻301两端连接；
两个测温pn结200对称设置在第一碳化硅层和第三碳化硅层上，每个测温pn结200上的碳化硅pn结p区201和碳化硅pn结n区203分别与两个pn结压焊块202连接。
进一步的，所述衬底100为碳化硅层。
进一步的，所述衬底100包括体硅层101和二氧化硅层102，所述二氧化硅层102置于体硅层101的一侧表面，所述体硅层101的另一侧表面与待测流体接触，所述第二碳化硅层位于二氧化硅层102的中间位置，第一碳化硅层和第三碳化硅层关于第二碳化硅层对称置间隔于二氧化硅层102上。
进一步的，碳化硅薄膜电阻301表面设置有绝缘保护层104和/或测温pn结200表面覆盖有绝缘保护层104。
进一步的，所述碳化硅pn结p区201与碳化硅pn结n区203为上下堆叠的结构，下方的区域面积大于上方区域的面积，并且，所述碳化硅pn结n区203位于碳化硅pn结p区201上方，或，所述碳化硅pn结n区203位于碳化硅pn结p区201下方，也即所述碳化硅pn结n区203与所述碳化硅pn结p区201的位置可以互换。
所述测温pn结200包括碳化硅pn结p区201，碳化硅pn结n区203；所述碳化硅pn结p区201分别设置在第一碳化硅层和第三碳化硅层上，所述碳化硅pn结n区203位于碳化硅pn结p区201上；绝缘保护层104覆盖于碳化硅pn结p区201、碳化硅pn结n区203表面，pn结压焊块202共两个，两个pn结压焊块202分别穿过绝缘保护层104以连接碳化硅pn结p区201与碳化硅pn结n区203。
进一步的，所述碳化硅pn结p区201构成材料为p型4H-SiC，所述碳化硅pn结n区203构成材料为n型4H-SiC。
进一步的，所述绝缘保护层104的材料为二氧化硅材料，或，二氧化硅和氮化硅的复合材料，所述碳化硅薄膜电阻301的材料为n型4H-SiC或p型4H-SiC。
进一步的，所述碳化硅薄膜电阻301的形状为蛇形或矩形。
进一步的，所述pn结压焊块202与所述加热电阻压焊块302的材料为镍、钛、钨、铬、铂、铝或金中的一种或几种合金材料。
此外，本发明还提出了一种上述基于碳化硅pn结测温的高温MEMS热式流量传感器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
S1、在衬底100上设置第一碳化硅层、第二碳化硅层、第三碳化硅层；
S2、分别在第一碳化硅层和第三碳化硅层上外延掺杂出碳化硅pn结p区201，在第二碳化硅层上外延掺杂出碳化硅薄膜电阻301；
S3、分别在第一碳化硅层和第三碳化硅层上的碳化硅pn结p区201上方外延掺杂出碳化硅pn结n区203；
S4、通过退火工艺将pn结压焊块202以及加热电阻压焊块302与碳化硅pn结p区201、碳化硅pn结n区203以及碳化硅薄膜电阻301欧姆接触。
进一步的，步骤S3和步骤S4之间还包括如下步骤：
将绝缘保护层104沉淀在所述碳化硅pn结p区201、碳化硅pn结n区203以及碳化硅薄膜电阻301上，并在绝缘保护层104上刻蚀出用于生成pn结压焊块202以及加热电阻压焊块302的凹槽；在凹槽内溅射刻蚀生成pn结压焊块202，加热电阻压焊块302。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
（1）本发明在热温差型MEMS热式流量传感器中使用碳化硅测温pn结作为温度传感器，能够提高MEMS热式流量传感器在高温等恶劣环境下的可靠性，使得MEMS热式流量传感器在高温环境下依然有着良好的线性输出，减轻了后续信号处理的压力，降低了整体系统复杂度。
（2）本发明提出的一种基于碳化硅pn结测温的MEMS热式流量传感器，基底部分由碳化硅衬底以及包含有二氧化硅层和体硅层的衬底组成，与现有绝缘体硅的区别是最上方的硅层被替换成了碳化硅层。通过上述方案，在确保器件整体耐高温性能的前提下，降低了碳化硅材料的整体应用成本。
（3）本发明提出的一种基于碳化硅pn结测温的MEMS热式流量传感器，其测温元件有别于传统的测温热敏电阻，测温热电堆等结构，采用碳化硅pn结作为测温元件。通过上述方案，解决了测温热敏电阻和测温热电堆可能带来的输出非线性，温度漂移等问题，减轻了后续电路及算法处理的压力，降低了MEMS热式流量传感器的综合成本。
（4）本发明提出的一种基于碳化硅pn结测温的MEMS热式流量传感器，其加热电阻主体为碳化硅薄膜电阻，该电阻材料为p型掺杂的碳化硅，相比于常见的多晶硅热敏电阻，在高温下具有良好的稳定性。
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基于碳化硅pn结测温的高温MEMS热式流量传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例所公开的基于碳化硅pn结测温的高温MEMS热式流量传感器的测温pn结切面示意图；
图3为本发明实施例所公开的基于碳化硅pn结测温的高温MEMS热式流量传感器的制作方法流程图；
图4为本发明实施例所公开的基于碳化硅pn结测温的高温MEMS热式流量传感器的正面切面示意图；
图5为本发明实施例所公开的将碳化硅层作为衬底的基于碳化硅pn结测温的高温MEMS热式流量传感器的结构示意图。
附图说明：衬底100、体硅层101、二氧化硅层102、碳化硅层103、测温pn结200、碳化硅pn结p区201、碳化硅pn结n区203、pn结压焊块202、加热电阻300、碳化硅薄膜电阻301、加热电阻压焊块302、绝缘保护层104。
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。
如图1和图4所示，本发明提出一种基于碳化硅pn结测温的高温MEMS热式流量传感器，该传感器包括衬底100、测温pn结200、加热电阻300，其中，所述衬底100上设置有碳化硅层103，碳化硅层103包括第一碳化硅层、第二碳化硅层、第三碳化硅层，并且，第二碳化硅层位于衬底100的中间位置，第一碳化硅层和第三碳化硅层关于第二碳化硅层对称间隔置于衬底100上；
所述加热电阻300包括碳化硅薄膜电阻301和加热电阻压焊块302，所述碳化硅薄膜电阻301位于第二碳化硅层上；两个加热电阻压焊块302分别与碳化硅薄膜电阻301两端连接；
如图1和图4所示，两个测温pn结200对称设置在第一碳化硅层和第三碳化硅层上，每个测温pn结200上的碳化硅pn结p区201和碳化硅pn结n区203分别与两个pn结压焊块202连接。
进一步的，如图5所示，所述衬底100为碳化硅层。或者，如图1所示，所述衬底100包括体硅层101和二氧化硅层102，所述二氧化硅层102置于体硅层101的一侧表面，所述体硅层101的另一侧表面与待测流体接触，所述第二碳化硅层位于二氧化硅层102的中间位置，第一碳化硅层和第三碳化硅层关于第二碳化硅层对称间隔置于二氧化硅层102上。
进一步的，碳化硅薄膜电阻301表面设置有绝缘保护层104和/或测温pn结200表面覆盖有绝缘保护层104。
进一步的，所述碳化硅pn结p区201与碳化硅pn结n区203为上下堆叠的结构，下方的区域面积大于上方区域的面积，并且，所述碳化硅pn结n区203与所述碳化硅pn结p区201的位置可以互换。也就是说，碳化硅pn结p区201与碳化硅pn结n区203上下可调，但是下方的区域面积一定大于上方区域的面积。比如，上方可以是碳化硅pn结p区201，下方是碳化硅pn结n区203；也可以是，下方可以是碳化硅pn结p区201，上方是碳化硅pn结n区203。要确保的是，下方区域面积大于上方区域面积。
如图1和图4所示，所述测温pn结200包括碳化硅pn结p区201，碳化硅pn结n区203；所述碳化硅pn结p区201分别设置在第一碳化硅层和第三碳化硅层上，所述碳化硅pn结n区203位于碳化硅pn结p区201上；绝缘保护层104覆盖于碳化硅pn结p区201、碳化硅pn结n区203表面，pn结压焊块202共两个，两个pn结压焊块202分别穿过绝缘保护层104以连接碳化硅pn结p区201与碳化硅pn结n区203。其中，绝缘保护层104不是必须的。其中，如图2所示，其展示的是测温pn结200的切面示意图。
进一步的，所述碳化硅pn结p区201构成材料为p型4H-SiC，所述碳化硅pn结n区203构成材料为n型4H-SiC。
进一步的，所述绝缘保护层104的材料为二氧化硅材料，或，二氧化硅和氮化硅的复合材料，所述碳化硅薄膜电阻301的材料为n型4H-SiC或p型4H-SiC。
进一步的，所述碳化硅薄膜电阻301的形状为蛇形或矩形。
进一步的，所述pn结压焊块202与所述加热电阻压焊块302的材料为鎳、钛、钨、铬、铂、铝或金中的一种或几种合金材料。
本发明还提供了一种上述基于碳化硅pn结测温的高温MEMS热式流量传感器的制备方法，如图3所示，该方法包括如下步骤：
S1、在衬底100上设置第一碳化硅层、第二碳化硅层、第三碳化硅层；
由图1和图4可知，第一碳化硅层、第二碳化硅层、第三碳化硅层互相间隔一定距离，其作用是减少加热电阻300与测温pn结200之间横向热传导的作用，有助于提高传感器的灵敏度。并且，如果衬底100是碳化硅层，如图5所示，可以直接在衬底100保留一定厚度，上方通过采用RIE干法刻蚀技术在衬底100进行刻蚀形成深凹槽，分别形成第一碳化硅层、第二碳化硅层、第三碳化硅层。如图1所示，如果衬底100包括体硅层101和二氧化硅层102，则在二氧化硅层102上方生成第一碳化硅层、第二碳化硅层、第三碳化硅层。
S2、在第一碳化硅层和第三碳化硅层上外延掺杂出碳化硅pn结p区201，第二碳化硅层上外延掺杂出碳化硅薄膜电阻301；
S3、在第一碳化硅层和第三碳化硅层上的碳化硅pn结p区201上方外延掺杂出碳化硅pn结n区203；
并且，碳化硅pn结n区203生长于碳化硅pn结p区201之上，且碳化硅pn结n区203面积小于碳化硅pn结p区201。
S4、通过退火工艺将pn结压焊块202以及加热电阻压焊块302与碳化硅pn结p区201、碳化硅pn结n区203以及碳化硅薄膜电阻301欧姆接触。
可选的，退火工艺为800到1100摄氏度的高温退火工艺，其目的是实现pn结压焊块202与碳化硅pn结p区201，碳化硅pn结n区203的欧姆接触以及加热电阻压焊块302与碳化硅薄膜电阻301的欧姆接触。
其中，作为一个实施例，步骤S3和步骤S4之间还包括如下步骤：
将绝缘保护层104沉淀在所述碳化硅pn结p区201、碳化硅pn结n区203以及碳化硅薄膜电阻301上，并在绝缘保护层104上刻蚀出用于生成pn结压焊块202以及加热电阻压焊块302的凹槽，在凹槽内溅射刻蚀生成pn结压焊块202，加热电阻压焊块302。
其中，作为一个实施例，绝缘保护层104为一层通过PECVD工艺淀积形成的二氧化硅薄膜，通过图形光刻工艺生成于指定位置，并留出用于连接pn结压焊块202，加热电阻压焊块302的凹槽。所述pn结压焊块202共两个，其分别用于连接碳化硅pn结p区201与碳化硅pn结n区203。
其中，作为一个实施例，用于连接碳化硅pn结p区201以及碳化硅薄膜电阻301的压焊块材料为镍/钛/铝的合金，用于连接碳化硅pn结n区203的压焊块材料为镍；pn结压焊块202与加热电阻压焊块302均通过电子束蒸镀结合金属剥离工艺制成。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (11)

1.一种基于碳化硅pn结测温的高温MEMS热式流量传感器，其特征在于，该传感器包括衬底（100）、测温pn结（200）、加热电阻（300），其中，
所述衬底（100）上设置有碳化硅层（103），碳化硅层（103）包括第一碳化硅层、第二碳化硅层、第三碳化硅层，并且，第二碳化硅层位于衬底（100）的中间位置，第一碳化硅层和第三碳化硅层关于第二碳化硅层对称间隔置于衬底（100）上；
所述加热电阻（300）包括碳化硅薄膜电阻（301）和加热电阻压焊块（302），所述碳化硅薄膜电阻（301）位于第二碳化硅层上；两个加热电阻压焊块（302）分别与碳化硅薄膜电阻（301）两端连接；
两个测温pn结（200）对称设置在第一碳化硅层和第三碳化硅层上，每个测温pn结（200）上的碳化硅pn结p区（201）和碳化硅pn结n区（203）分别与两个pn结压焊块（202）连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅pn结测温的高温MEMS热式流量传感器，其特征在于，所述衬底（100）为碳化硅层。
3.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅pn结测温的高温MEMS热式流量传感器，其特征在于，所述衬底（100）包括体硅层(101)和二氧化硅层（102），所述二氧化硅层（102）位于体硅层（101）的一侧表面，所述体硅层(101)的另一侧表面与待测流体接触，所述第二碳化硅层位于二氧化硅层（102）的中间位置，第一碳化硅层和第三碳化硅层关于第二碳化硅层对称间隔置于二氧化硅层（102）上。
4.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅pn结测温的高温MEMS热式流量传感器，其特征在于，碳化硅薄膜电阻（301）表面设置有绝缘保护层（104）和/或测温pn结（200）表面覆盖有绝缘保护层（104）。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种基于碳化硅pn结测温的高温MEMS热式流量传感器，其特征在于，所述碳化硅pn结p区（201）与碳化硅pn结n区（203）为上下堆叠结构，并且，所述碳化硅pn结n区（203）位于碳化硅pn结p区（201）上方或所述碳化硅pn结n区（203）位于碳化硅pn结p区（201）下方，下方的区域面积大于上方区域的面积。
6.根据权利要求1或2或3所述的一种基于碳化硅pn结测温的高温MEMS热式流量传感器，其特征在于，所述碳化硅pn结p区（201）材料为p型4H-SiC，所述碳化硅pn结n区（203）材料为n型4H-SiC。
7.根据权利要求4所述的一种基于碳化硅pn结测温的高温MEMS热式流量传感器，其特征在于，所述绝缘保护层（104）材料为二氧化硅材料或二氧化硅和氮化硅的复合材料，所述碳化硅薄膜电阻（301）的材料为n型4H-SiC或p型4H-SiC。
8.根据权利要求1或4所述的一种基于碳化硅pn结测温的高温MEMS热式流量传感器，其特征在于，所述碳化硅薄膜电阻（301）的形状为蛇形或矩形。
9.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅pn结测温的高温MEMS热式流量传感器，其特征在于，所述pn结压焊块（202）和所述加热电阻压焊块（302）的材料为镍、钛、钨、铬、铂、铝或金中的一种或几种合金材料。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的基于碳化硅pn结测温的高温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、在衬底（100）上设置第一碳化硅层、第二碳化硅层、第三碳化硅层；
S2、分别在第一碳化硅层和第三碳化硅层上外延掺杂出碳化硅pn结p区（201），在第二碳化硅层上外延掺杂出碳化硅薄膜电阻（301）；
S3、分别在第一碳化硅层和第三碳化硅层上的碳化硅pn结p区（201）上方外延掺杂出碳化硅pn结n区（203）；
S4、通过退火工艺将pn结压焊块（202）以及加热电阻压焊块（302）与碳化硅pn结p区（201）、碳化硅pn结n区（203）以及碳化硅薄膜电阻（301）进行欧姆接触。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，步骤S3和步骤S4之间还包括如下步骤：将绝缘保护层（104）沉淀在所述碳化硅pn结p区（201）、碳化硅pn结n区（203）以及碳化硅薄膜电阻（301）上，并在绝缘保护层（104）上刻蚀出用于生成pn结压焊块（202）以及加热电阻压焊块（302）的凹槽；在凹槽内溅射刻蚀生成pn结压焊块（202），加热电阻压焊块（302）。
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