CN116481602A - 一种具有高灵敏度的气体流量传感器芯片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有高灵敏度的气体流量传感器芯片及其制造方法，该气体流量传感器芯片包含从下往上依次设置的衬底、支撑膜、金属膜、保护膜；所述衬底的上表面设置有空腔，其沿着流体方向形成流动通道；所述支撑膜为图形化，图形化开口处于空腔区域上方，使得空腔与外界连通；所述金属膜为图形化，包含至少一个加热图形、至少两个测温图形和至少一个校准图形；所述保护膜位于最上方，用于保护金属膜不与流体直接接触；本发明将空腔设计为沿流体方向的完整流动通道，使加热电阻及测温电阻横跨整个空腔，传感器悬空膜的上下方均与流体接触，大大提高了流体与传感器加热电阻及测温电阻的换热量，使得在较小流速时传感器也能获得较大的输出信号。
Description
技术领域
本发明涉及微机电气体流量传感器领域，特指一种具有高灵敏度的气体流量传感器芯片及其制造方法。
背景技术
气体流量的检测是在许多系统和设备中是不可缺少的。随着微机电(MEMS)技术的发展，基于MEMS的气体流量传感器逐渐成为热门，被广泛应用于多种工业、商业和医疗应用中，其中热式气体流量传感器因具有结构简单，制造成本低，易于微型化的优点而收到广泛关注。
热式气体流量传感器是根据传热学原理，利用气体流动导致上下游的温度不用的结果，通过检测上下游的温度差得到气体流量的大小。热式气体流量传感器的测温方式主要有两种，一种为热电堆式，其是基于塞贝克效应，上下游分别有相同的热电堆，当上下游存在温度差时会产生电势差信号，通过测量电势差可得到上下游温度差，另一种为热电阻式，上下游存在相同的电阻，当上下游存在温度差时其电阻值不一样，通过电路即可检测到电阻的差值，从而得知温度差。热电堆式气体流量传感器具有无需外加偏压、工艺成熟、稳定性较好的优点，但是相比热电阻式气体流量传感器其灵敏度相对较差。
如现有技术CN104280085A公开的一种气体流量传感器及其制作方法，该专利通过把加热电阻和测温电阻分立，避免了由薄膜热传导引起的热量损失，大大提高了MEMS热导式气体流量传感器的检测灵敏度，并且具有工艺简单的优点；但思路为减小加热电阻的热损耗，并未增大有气体流量导致的加热电阻和测温电阻的热对流，因此传感器的灵敏度提高有限。
再如现有技术CN214748202U公开的一种高灵敏度的MEMS流量传感器，该专利通过将悬浮膜由两层不同材料构成，在空腔释放后，薄膜压应力的作用下悬浮膜形成向上弯曲状，相比于平面悬浮膜，弯曲膜具有更大的表面积，并且其加速上游流速同时在下游形成缓流区，有利于提高流体和传感器表面的换热效率，从而提高气体流量检测灵敏度；但技术涉及的弯曲悬浮膜是通过薄膜的应力实现的，应力大则薄膜弯曲程度更大，同时薄膜破裂的风险更大，因此要求既能获得较大弯曲程度提高灵敏度，有需要保证薄膜稳定不会破裂，这就对工艺中薄膜应力的控制要求更苛刻，因此工艺的难度相比其他会更大。
发明内容
本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种具有高灵敏度的气体流量传感器芯片及其制造方法，使其在较小流速时传感器也能获得较大的输出信号。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具有高灵敏度的气体流量传感器芯片及其制造方法，包含从下往上依次设置的衬底、支撑膜、金属膜、保护膜；
所述衬底的上表面设置有空腔，其沿着流体方向形成流动通道，空腔深度不超过衬底厚度；
所述支撑膜为图形化，图形化开口处于空腔区域上方，使得空腔与外界连通；
所述金属膜为图形化，包含至少一个加热图形、至少两个测温图形和至少一个校准图形；所述加热图形位于空腔中心处，图形关于中心点对称；所述测温图形位于空腔上方处，包括至少一个上游测温图形和至少一个下游测温图形；所述上游测温图形和下游测温图形完全一样，且关于中间加热图形对称；所述校准图形位于衬底边缘无空腔处；
所述保护膜位于最上方，用于保护金属膜不与流体直接接触。
优选的，所述支撑膜为单层结构或复合结构，其材料层为二氧化硅、氮化硅等绝缘层中的一种或多种。
优选的，所述金属膜包含粘附层和热敏层，其中粘附层的材料为Ti、Cr中的一种，热敏层为电阻率对温度变化很敏感的材料，为Pt、Ni、Cu中的一种。
优选的，所述保护膜位于最上方，图形化开口与支撑膜一致，材料为包含二氧化硅和氮化硅的复合膜。
本发明还公开了一种具有高灵敏度的气体流量传感器芯片的制造方法，包括以下步骤：
步骤S01，提供一衬底，在所述衬底上制作支撑层；
步骤S02，在所述支撑层上制作金属层，并图形化；
步骤S03，在所述金属层上制作保护层；
步骤S04，对所述保护层进行刻蚀开窗；
步骤S05，在所述保护层开窗处制作金属电极；
步骤S06，对所述保护层和支撑层进行刻蚀开窗，正面表面露出衬底；
步骤S07，对所述衬底进行腐蚀。
优选的，步骤S01中，所述支撑膜层厚度在5000A-20000A之间，采用等离子体气相沉积工艺或热氧化工艺制备。
优选的，步骤S03中，所述保护层为包含二氧化硅和氮化硅的复合膜，采用等离子体气相沉积工艺制备，膜层厚度在5000A-15000A之间。
优选的，步骤S04和S06中，所述刻蚀开窗工艺为反应离子刻蚀工艺。
优选的，步骤S05中，所述金属电极采用物理气相沉积工艺制备，膜层厚度在1000A-10000A之间。
优选的，步骤S07中，所述衬底腐蚀采用硅的湿法各向异性刻蚀工艺，所用湿法刻蚀为硅各向异性刻蚀，所腐蚀的为S i(100)和(110)晶面，S i(111)为腐蚀停止晶面，所用干法刻蚀气体为XeF2。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明通知将空腔设计为沿流体方向的完整流动通道，此时加热电阻及测温电阻处于支撑膜上，横跨整个隔热空腔，传感器悬空膜的上下方均与流体接触，这种设计从促进流体与传感器表面换热的角度考虑，大大提高了流体与传感器加热电阻及测温电阻的换热量，使得在较小流速时传感器也能获得较大的输出信号，因此气体流量传感器的灵敏度大大提高，同时该结构具有工艺简单，成本低，功耗小等优点。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
附图1为本发明所述的具有高灵敏度的气体流量传感器芯片的结构示意图；
附图2为本发明所述的具有高灵敏度的气体流量传感器芯片在yz平面内的切面图；
附图3为本发明所述的具有高灵敏度的气体流量传感器芯片在xz平面内的切面图；
附图4为本发明所述的具有高灵敏度的气体流量传感器芯片的制造流程图。
其中：1、衬底；2、空腔；3、上游测温电阻；4、加热电阻图形；5、下游测温电阻；6、校准电阻图形；7、支撑膜；8、保护膜。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
附图1-3为本发明所述的具有高灵敏度的气体流量传感器芯片，包含衬底1、支撑膜7、金属膜、保护膜8四层结构；所述衬底1位于最下方，往上层依次为支撑膜7、金属膜、保护膜8；
所述衬底1设置有一空腔2，空腔2位于衬底1上表面，由衬底1向下凹入一定距离形成，空腔2区域覆盖整个金属膜区域，其沿着流体方向形成流动通道，空腔2深度不超过衬底1厚度；其中衬底1材料可以是单晶硅、多晶硅、SOI硅片等，在本实施例中衬底1材料为单晶硅；
所述支撑膜7为图形化，图形化开口处于空腔2区域上方，使得空腔2与外界连通；支撑膜7为单层结构或复合结构，所包含的材料层为二氧化硅、氮化硅等绝缘层中的一种或多种；
所述金属膜为图形化，包含至少一个加热电阻图形4、至少两个测温电阻图形和至少一个校准电阻图形6；加热电阻图形4位于空腔2中心处，图形关于中心点对称；测温电阻图形位于空腔2上方处，包括至少一个上游测温电阻3和至少一个下游测温电阻5，上游测温电阻3和下游测温电阻5完全一样，且关于中间加热电阻图形4对称；校准电阻图形6位于衬底1边缘无空腔2处；金属层包含粘附层和热敏层，粘附层材料为Ti、Cr等中的一种，热敏层为电阻率对温度变化很敏感的材料，例如Pt、Ni、Cu等；
所述保护膜8位于最上方，图形化开口与支撑膜7一致，材料为包含二氧化硅和氮化硅的复合膜。
本实施例中的气体流量传感器为热式气体流量传感器，其通过检测热电阻的变化来获得气体流量的信息；当外界气体流速为0时，传感器与外界气体的热交换为0，此时传感器的热场分布呈稳定状态，中间的加热电阻工作在某一固定温度，由于上下游的测温电阻图形完全一样，且关于中间加热电阻图形对称，因此此时上下游加热电阻的温度差为0，其所组成的惠斯通电桥的输出电压信号也为0，当外界气体流速不为0时，气体与传感器表面通过热对流，将上游电阻的热传递至下游电阻，因此造成上游温度小于下游温度，形成温度差，温度差值大小与流速相关，此时其所组成的惠斯通电桥的输出电压信号不为0。
在图1所示的流量传感器结构中，加热电阻和衬底之间通过隔热空腔隔开，避免了通过衬底的热损耗，另外，参考专利CN214748202U中的设计，支撑膜和保护膜都通过图形化，使得加热电阻与上下游的测温电阻不处在连续的膜上，提升了检测的灵敏度；除此之外，本实用新型通过增加流体与敏感电阻之间的换热来提高传感器芯片的灵敏度，如图1，隔热空腔设计为沿流体方向形成完整流动通道，加热电阻及测温电阻处于支撑膜上，横跨整个隔热空腔，其沿流体流动方向的截面如图2b所示，这种新颖的设计使得流体与传感器加热电阻及测温电阻的换热大大增加，气体流量传感器的灵敏度大大提高。
附图4为本发明提供的一种气体流量传感器芯片制作方法，具体的工艺流程如下：
步骤S01，提供一半导体衬底，衬底材料可以是单晶硅、多晶硅、SOI硅片等；在所述衬底上制作支撑层，所述支撑膜层为单层结构或复合结构，所包含的材料层为二氧化硅层、氮化硅层等中的一种或多种；所述支撑膜层厚度在5000A-20000A之间，采用等离子体气相沉积工艺、低压化学气相沉积、热氧化等工艺制备；支撑膜具有较好的机械性能和绝缘性能，一方面用于支撑金属膜图形，另一方面也提供衬底与金属膜的电隔离；
步骤S02，在所述支撑层上制作金属层，并图形化；所述金属层包含粘附层和热敏层，粘附层材料为Ti、Cr等中的一种，热敏层为电阻率对温度变化很敏感的材料，例如Pt、Ni、Cu等；所述图形化工艺可为光刻图形化后刻蚀或者剥离工艺；
步骤S03，在所述金属层上制作保护层；所述保护层包含二氧化硅和氮化硅的复合膜，采用等离子体气相沉积工艺制备，膜层厚度在5000A-15000A之间；所述保护层用于保护芯片金属膜部分不与外界或者工作时不与流体直接接触；
步骤S04，对所述保护层进行刻蚀开窗；所述刻蚀开窗工艺为反应离子刻蚀工艺、离子束刻蚀工艺等；
步骤S05，在所述保护层开窗处制作金属电极并图形化；金属材料可以为Ti/Au、Cr/Au、Ti/Al、Cr/Al等，包括了粘附层Ti、Cr等和金属层Au、Al等；金属电极采用物理气相沉积工艺制备，膜层厚度在1000A-10000A之间；所述图形化工艺可为光刻图形化后刻蚀或者剥离工艺；
步骤S06，对所述保护层和支撑层进行刻蚀开窗，正面表面露出衬底；所述刻蚀开窗工艺为反应离子刻蚀工艺、离子束刻蚀工艺等；
步骤S07，对所述半导体衬底进行腐蚀形成隔热空腔；所述衬底腐蚀可为湿法腐蚀或者干法腐蚀工艺；本实施例中衬底为单晶硅，可采用KOH对硅衬底进行各向异性腐蚀，或采用XeF2气体干法刻蚀工艺。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有高灵敏度的气体流量传感器芯片，其特征在于：包含从下往上依次设置的衬底、支撑膜、金属膜、保护膜；
所述衬底的上表面设置有空腔，其沿着流体方向形成流动通道，空腔深度不超过衬底厚度；
所述支撑膜为图形化，图形化开口处于空腔区域上方，使得空腔与外界连通；
所述金属膜为图形化，包含至少一个加热图形、至少两个测温图形和至少一个校准图形；所述加热图形位于空腔中心处，图形关于中心点对称；所述测温图形位于空腔上方处，包括至少一个上游测温图形和至少一个下游测温图形；所述上游测温图形和下游测温图形完全一样，且关于中间加热图形对称；所述校准图形位于衬底边缘无空腔处；
所述保护膜位于最上方，用于保护金属膜不与流体直接接触。
2.根据权利要求1所述的具有高灵敏度的气体流量传感器芯片，其特征在于：所述支撑膜为单层结构或复合结构，其材料层为二氧化硅、氮化硅等绝缘层中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的具有高灵敏度的气体流量传感器芯片，其特征在于：所述金属膜包含粘附层和热敏层，其中粘附层的材料为Ti、Cr中的一种，热敏层为电阻率对温度变化很敏感的材料，为Pt、Ni、Cu中的一种。
4.根据权利要求3所述的具有高灵敏度的气体流量传感器芯片，其特征在于：所述保护膜位于最上方，图形化开口与支撑膜一致，材料为包含二氧化硅和氮化硅的复合膜。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的具有高灵敏度的气体流量传感器芯片的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S01，提供一衬底，在所述衬底上制作支撑层；
步骤S02，在所述支撑层上制作金属层，并图形化；
步骤S03，在所述金属层上制作保护层；
步骤S04，对所述保护层进行刻蚀开窗；
步骤S05，在所述保护层开窗处制作金属电极；
步骤S06，对所述保护层和支撑层进行刻蚀开窗，正面表面露出衬底；
步骤S07，对所述衬底进行腐蚀。
6.根据权利要求5所述的具有高灵敏度的气体流量传感器芯片的制造方法，其特征在于：步骤S01中，所述支撑膜层厚度在5000A-20000A之间，采用等离子体气相沉积工艺或热氧化工艺制备。
7.根据权利要求6所述的具有高灵敏度的气体流量传感器芯片的制造方法，其特征在于：步骤S03中，所述保护层为包含二氧化硅和氮化硅的复合膜，采用等离子体气相沉积工艺制备，膜层厚度在5000A-15000A之间。
8.根据权利要求7所述的具有高灵敏度的气体流量传感器芯片的制造方法，其特征在于：步骤S04和S06中，所述刻蚀开窗工艺为反应离子刻蚀工艺。
9.根据权利要求8所述的具有高灵敏度的气体流量传感器芯片的制造方法，其特征在于：步骤S05中，所述金属电极采用物理气相沉积工艺制备，膜层厚度在1000A-10000A之间。
10.根据权利要求9所述的具有高灵敏度的气体流量传感器芯片的制造方法，其特征在于：步骤S07中，所述衬底腐蚀采用硅的湿法各向异性刻蚀工艺，所用湿法刻蚀为硅各向异性刻蚀，所腐蚀的为Si(100)和(110)晶面，Si(111)为腐蚀停止晶面，所用干法刻蚀气体为XeF2。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118583914A (zh) * | 2024-08-01 | 2024-09-03 | 苏州芯镁信电子科技有限公司 | 一种热导气体传感器、制备方法及气体热导率检测方法 |
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2023
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