CN116539109B - 一种mems热温差型气体流量传感器芯片制备方法 - Google Patents
一种mems热温差型气体流量传感器芯片制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116539109B CN116539109B CN202310825114.9A CN202310825114A CN116539109B CN 116539109 B CN116539109 B CN 116539109B CN 202310825114 A CN202310825114 A CN 202310825114A CN 116539109 B CN116539109 B CN 116539109B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- substrate
- temperature difference
- gas flow
- sensor chip
- flow sensor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 69
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 62
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 38
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 22
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 22
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 23
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 13
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 claims description 13
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 238000004518 low pressure chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 12
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 12
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 11
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 claims description 11
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims description 10
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 claims description 8
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910005335 FePt Inorganic materials 0.000 claims description 4
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 claims description 4
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 claims description 4
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims description 3
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 3
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 3
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 15
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 32
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 5
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 4
- 229910021426 porous silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000005422 Nernst effect Effects 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 3
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 229910001260 Pt alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005678 Seebeck effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- GUBSQCSIIDQXLB-UHFFFAOYSA-N cobalt platinum Chemical compound [Co].[Pt].[Pt].[Pt] GUBSQCSIIDQXLB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000006056 electrooxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002843 nonmetals Chemical class 0.000 description 1
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 1
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 1
- 238000000992 sputter etching Methods 0.000 description 1
- 230000005676 thermoelectric effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
- G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
- G01F1/6845—Micromachined devices
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
- B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
- B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
- B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
- G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
- G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
- G01F1/688—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
- G01F1/6888—Thermoelectric elements, e.g. thermocouples, thermopiles
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
- B81B2201/02—Sensors
- B81B2201/0292—Sensors not provided for in B81B2201/0207 - B81B2201/0285
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
Abstract
本申请提供一种MEMS热温差型气体流量传感器芯片制备方法，其可以基于较简单的工艺达到更高的灵敏度，同时可以基于较小尺寸实现芯片结构。在第一衬底的上表面设置了两组加热元件与热电堆，两个加热元件的温度场叠加，第一热电腿、互联金属区与第二热电腿共同构成的热电堆，热电堆和磁性薄膜组成了测温元件；测温元件与加热元件共同构成了MEMS热温差型气体流量传感器芯片。
Description
技术领域
本发明涉及传感器芯片制备技术领域，具体为一种MEMS热温差型气体流量传感器芯片制备方法。
背景技术
MEMS(微机电系统)热温差型气体流量传感器芯片的测温元件有两种，一是温敏电阻，二是热电堆。热电堆因不需要外接电源，功耗低而被广泛应用于热温差型气体流量传感器芯片之中。提升热电堆温差检测的灵敏度，对于提高MEMS热温差型气体流量传感器芯片的灵敏度有着重要作用，而目前的MEMS热温差型气体流量传感器芯片的灵敏度不足导致限制其应用场景，在一些应用场景中如：在微电子制造中，需要对化学气相沉积工艺的反应气体的小流量的流速进行检测时，现有技术中的MEMS热温差型气体流量传感器的灵敏度逐渐无法满足应用需要。目前提升MEMS热温差型气体流量传感器芯片的热电堆温差检测灵敏度的方式有两种：一是排布数量更多的热电偶，但这种方式增大了流量传感器芯片的面积，不利于微型化的发展趋势；二是制备多孔硅绝热层或者采用深硅刻蚀工艺等制备悬空结构，减小热电堆热端的热量损失，但这种方式增加了工艺的难度。
发明内容
为了解决当前MEMS热温差型气体流量传感器芯片无法同时兼顾灵敏度和芯片尺寸或者工艺难度的问题，本发明提供一种热温差型气体流量传感器芯片制备方法，其可以基于较简单的工艺达到更高的灵敏度，同时可以基于较小尺寸实现芯片结构。
本发明的技术方案是这样的：一种MEMS热温差型气体流量传感器芯片制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1：选用硅片作为第一衬底；
S2：通过光刻和磁控溅射在所述第一衬底上表面制备合金层，作为磁性薄膜层；
S3：通过光刻和LPCVD在所述磁性薄膜层的表面上制备氧化硅层，作为绝缘层；
S4：通过光刻、LPCVD及磷离子注入在所述第一衬底和所述绝缘层上表面制备n型多晶硅分别作为加热元件和第一热电腿；
S5：通过光刻、LPCVD及硼离子注入在所述第一衬底和所述绝缘层上表面制备p型多晶硅作为第二热电腿；
S6：通过光刻和磁控溅射在所述第一衬底和所述绝缘层上表面制备互联金属区、第一引线区、第二引线区、第三引线区及第四引线区；
S7：选用硅片作为第二衬底，通过光刻和RIE在第二衬底表面制备凹槽后，与第一衬底通过胶粘的方式连接在一起，形成流道，进而完成器件的制备。
其进一步特征在于：
所述第一衬底的材料为单晶硅，厚度为200μm -1000μm；
所述磁性薄膜层为2个，对称设置在第一衬底的上表面；所述磁性薄膜层的材料至少选用FePt、CoPt、CoNiMnP和Sr铁氧体材料中的一种，厚度为1μm-5μm；
所述绝缘层为2个，对称设置在第一衬底的上表面，材料为氧化硅，厚度为100nm-500nm；
所述加热元件为2个，对称地分别设置在两个所述绝缘层的上表面中央；所述加热元件厚度为200nm-2μm，材料为铂、多晶硅、锗的其中一种；所述第一热电腿共为十六个，每8个为一组，每组中的所述第一热电腿均匀分为两排，分别对称且平行地设置在每个所述加热元件两侧；所述第一热电腿垂直于所述加热元件；每个所述第一热电腿厚度为500nm-5μm；
所述第二热电腿共有十六个，每8个为一组，每组中的所述第二热电腿均匀分为两排，每排所述第二热电腿平行于所述第一热电腿且与所述第一热电腿交错并排设置在每个所述加热元件两侧；每个所述第二热电腿的厚度为500nm-5μm；
所述互联金属区共有28个，在每个相邻的所述第一热电腿端头与所述第二热电腿端头之间设置一个所述互联金属区；
所述第一引线区共有四个，两个为一组，每组所述第一引线区分别对称设置在一个所述加热元件的两侧，且分别与最外侧的所述第二热电腿相连；
所述第二引线区共有四个，两个为一组，每组中的两个所述第二引线区分别对称设置在一个所述加热元件的两侧，且分别与最外侧的所述第一热电腿相连；
每个所述加热元件的同方向的一端设置所述第三引线区，另一端设置所述第四引线区；
所述互联金属区、所述第一引线区、所述第二引线区、所述第三引线区和所述第四引线区的材料为Al、Ti、Au、Cu中的至少一种，厚度都为500nm-5μm；
所述第二衬底的材料为单晶硅或玻璃，设置在第一衬底的正上方，厚度为200-1000μm；所述流道设置在所述第一衬底与所述第二衬底之间，高度为20-200μm；
两个所述加热元件的温度场叠加；第一热电腿、互联金属区与第二热电腿共同构成热电堆，每个所述加热元件与其邻近的所述热电堆为一组。
申请提供的一种MEMS热温差型气体流量传感器芯片制备方法，第一热电腿、互联金属区与第二热电腿共同构成的热电堆，热电堆和磁性薄膜组成了测温元件；测温元件与加热元件共同构成了MEMS热温差型气体流量传感器芯片；本申请的制备方法中，在第一衬底的上表面设置了两组加热元件与热电堆，两个加热元件的温度场叠加，当气体流量较小时，两侧温差明显的加热元件及热电堆充当工作的气体传感器，两侧的温差较小的加热元件处于不工作状态。当气体流量较大时，两个加热元件状态和功能互换，本申请中，两组加热元件和热电堆分别工作在低流量与高流量两种工况下，增大了MEMS热温差型气体流量传感器芯片的量程。本申请采用磁性薄膜和热电堆共同作为热温差型气体流量传感器芯片的测温元件，基于热电效应和热磁电效应共同完成热能与电能的转化，提高了传感器的灵敏度。基于本申请的方法制备MEMS热温差型气体流量传感器芯片，通过增加的磁性薄膜，基于热磁电效应，可以增大灵敏度。通过减小热电偶中热电腿的个数，减小热电偶的排布面积，进而减小芯片面积。即，基于本方法制备的传感器具有精度高、一致性好的优点。同时本申请的制备方法简单，易实施，成本低廉，尤其适用于芯片的批量制造。
附图说明
图1为本方法第一衬底结构示意图；
图2为在第一衬底上制备磁性薄膜层结构的示例；
图3为在磁性薄膜层表面制备绝缘层结构的示例；
图4为在第一衬底和绝缘层上表面制备加热元件与第一热电腿结构的示例；
图5为在第一衬底和绝缘层上表面制备第二热电腿的示例；
图6为在第一衬底和绝缘层上表面制备互联金属区、第一引线区、第二引线区、第三引线区及第四引线区的示例；
图7为在第二衬底与第一衬底通过胶粘的方式连接示例；
图8为基于本方法制备的高灵敏度的MEMS热温差型气体流量传感器芯片的俯视示意图；
图9为图8沿A-A’方向的剖面图。
具体实施方式
本申请包括一种MEMS热温差型气体流量传感器芯片制备方法，其包括以下步骤。
S1：选用硅片作为第一衬底1；第一衬底1的材料为单晶硅，厚度为200μm -1000μm。
如图1所示实施例，选用厚度为300μm的硅片，作为第一衬底1。
S2：通过光刻和磁控溅射在第一衬底1上表面制备合金层，作为磁性薄膜层2。
磁性薄膜层2为2个，对称设置在第一衬底1的上表面；磁性薄膜层2的材料为至少选用FePt、CoPt、CoNiMnP、Sr铁氧体等材料中的一种，厚度为1μm-5μm。本申请中基于磁性薄膜提供纵向能斯托效应所需的磁场。其中FePt、CoPt、CoNiMnP为两种或两种及以上的金属或非金属通过磁控溅射等方式制备的复合材料。
常规方法中，多孔硅的制备通常采用电化学腐蚀法，制备过程中影响多孔硅良率的因素多且电化学的方式制备需要搭建电解池的模型，制备过程较复杂，以硅材料为原材料，原材料的成本较高；而且现有技术中大多通过深硅刻蚀的方式形成悬空薄膜，深硅刻蚀需要bosch等工艺形成高深宽比的结构，工艺难度及成本较高。
而本方法中，使用磁性薄膜层作为热电偶与衬底的隔热层，磁性薄膜层利用金属为原材料，通过磁控溅射的方式制备，较为容易的制备了导热系数低的磁性薄膜层，用作隔热结构；与常规方法相比避免了制备多孔硅隔热层或者深硅刻蚀制备悬空薄膜进行隔热，从而降低工艺的复杂性，减小工艺成本，提高成品率。
如图2所示实施例，通过光刻和磁控溅射在第一衬底1上表面制备厚度为2μm的钴铂合金，作为磁性薄膜层2。
S3：通过光刻和LPCVD在磁性薄膜层2的表面上制备氧化硅层，作为绝缘层3。
绝缘层3为2个，对称设置在第一衬底1的上表面，材料为氧化硅，厚度为100nm-500nm。
本申请中的磁性薄膜层2和绝缘层3均为低热导率材料，减小了热电堆热端的热量散失，进一步提高了传感器的灵敏度。
如图3所示实施例。通过光刻和LPCVDLow Pressure Chemical Vapor Deposition低压力化学气相沉积法在磁性薄膜层2表面制备厚度为200nm的氧化硅作为绝缘层3。
S4：通过光刻、LPCVD及磷离子注入在第一衬底1和绝缘层3上表面制备n型多晶硅分别作为加热元件4和第一热电腿5。
加热元件4为2个，对称地分别设置在两个绝缘层3的上表面中央；加热元件4厚度为200nm-2μm，材料为铂、多晶硅、锗的其中一种；第一热电腿5共为十六个，每8个为一组，每组中的第一热电腿5均匀分为两排，分别对称且平行地设置在每个加热元件4两侧；第一热电腿5垂直于加热元件4，且第一热电腿5为L型，分布于绝缘层3表面和第一衬底1上；每个第一热电腿5厚度为500nm-5μm。
如图4所示实施例，通过光刻、LPCVD及磷离子注入在第一衬底1和绝缘层3上表面制备厚度为1μm的n型多晶硅分别作为加热元件4与第一热电腿5。
S5：通过光刻、LPCVD及硼离子注入在第一衬底1和绝缘层3上表面制备p型多晶硅作为第二热电腿7；
第二热电腿7共有十六个，每8个为一组，每组中的第二热电腿7均匀分为两排，每排第二热电腿7平行于第一热电腿5且与第一热电腿5交错并排设置在每个加热元件4两侧；每个第二热电腿7的厚度为500nm-5μm。
如图5所示实施例，通过光刻、LPCVD及硼离子注入在第一衬底1和绝缘层3上表面制备厚度为1μm的p型多晶硅作为第二热电腿7。图5为图4的俯视角度的示意图。
S6：通过光刻和磁控溅射在第一衬底1和绝缘层3上表面制备互联金属区6、第一引线区8、第二引线区9、第三引线区10及第四引线区11。
互联金属区6共有28个，在每个相邻的第一热电腿5端头与第二热电腿7端头之间设置一个互联金属区6；
第一引线区8共有四个，两个为一组，每组第一引线区8分别对称设置在一个加热元件4的两侧，且分别与最外侧的第二热电腿7相连；
第二引线区9共有四个，两个为一组，每组中两个第二引线区9分别对称设置在一个加热元件4的两侧，且分别与最外侧的第一热电腿5相连；
每个所述加热元件4的同方向的一端设置所述第三引线区10，另一端设置所述第四引线区11；
互联金属区6、第一引线区8、第二引线区、第三引线区和第四引线区的材料为Al、Ti、Au、Cu中的至少一种，厚度都为500nm-5μm。
本方法中，同一个工艺步骤下，设置厚度、材料相同，制备出了第一引线区、第二引线区、第三引线区、第四引线区与互联金属区，避免增加掩模版的数量，降低了工艺成本。
第三引线区10与第四引线区11用于给加热元件4引入电流；第一引线区8与第二引线区9用于引出热电堆两端的电势。
如图6所示实施例，通过光刻和磁控溅射在第一衬底1和绝缘层3上表面制备厚度为1μm的Al分别作为互联金属区6、第一引线区8、第二引线区9、第三引线区10及第四引线区11。
S7：选用硅片作为第二衬底12，通过光刻和RIE在第二衬底12表面制备凹槽后，与第一衬底1通过胶粘的方式连接在一起，形成流道13，进而完成器件的制备。
第二衬底12的材料为单晶硅或玻璃，设置在第一衬底1的正上方，厚度为200-1000μm；流道13设置在第一衬底1与第二衬底12之间，高度为20-200μm。
如图7所示实施例，选用厚度为300μm的硅片，作为第二衬底12，通过光刻和RIEReactive Ion Etching 反应离子刻蚀在第二衬底12表面制备深度为50μm的凹槽，与第一衬底1通过胶粘的方式连接在一起，形成流道13，进而完成器件的制备。
基于本申请方法制备的芯片中， 第一热电腿5、互联金属区6与第二热电腿7共同构成的热电堆和磁性薄膜层2组成了测温元件。测温元件与加热元件4共同构成了MEMS热温差型气体流量传感器芯片，当气体流过加热元件4时，位于其两侧的热电堆将温差转化为热电动势输出，同时磁性薄膜提供磁场，基于纵向能斯托效应，热电堆内再次产生电动势，且与热电动势方向一致，两个电动势叠加，增大了热电堆温差检测的灵敏度，进而增大了MEMS热温差型气体流量传感器芯片的灵敏度。
本申请的制备方法中在第一衬底1的上表面设置了两组加热元件4与热电堆。两个加热元件4的温度场叠加，当气体流量较小时，左侧的加热元件4的两侧温差明显，此时左侧的加热元件4及热电堆充当工作的气体传感器，右侧的加热元件4两侧的温差较小，处于不工作状态。当气体流量较大时，左侧的加热元件4的两侧温差较小，不再处于工作状态，右侧的加热元件4的两侧温差明显，充当工作的气体传感器。两组加热元件4和热电堆分别工作在低流量与高流量两种工况下，增大了MEMS热温差型气体流量传感器芯片的量程。
使用本发明的技术方案后，制备的MEMS热温差型气体流量传感器结合了纵向能斯托效应与塞贝克效应，采用磁性薄膜和热电堆共同作为热温差型气体流量传感器芯片的测温元件，提高了传感器的灵敏度。本申请中制备的制备方法中，在晶圆上集成了双加热及测温元件；了双加热及测温元件分别在低流量与高流量时工作，提高了传感器芯片的量程。本方法采用MEMS技术制备，传感器具有极高的精度，尤其适用于对小流量气体流速的检测场景，同时基于本方法制备的传感器一致性好、易于批量制造以及成本低的优点。
Claims (9)
1.一种MEMS热温差型气体流量传感器芯片制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1：选用硅片作为第一衬底；
S2：通过光刻和磁控溅射在所述第一衬底上表面制备合金层，作为磁性薄膜层；
所述磁性薄膜层为2个，对称设置在第一衬底的上表面；
S3：通过光刻和LPCVD在所述磁性薄膜层的表面上制备氧化硅层，作为绝缘层；
S4：通过光刻、LPCVD及磷离子注入在所述第一衬底和所述绝缘层上表面制备n型多晶硅分别作为加热元件和第一热电腿；
两个所述绝缘层的上表面中央分别设置一个所述加热元件，所述加热元件之间对称设置；在每个所述加热元件两侧对称地设置所述第一热电腿；
S5：通过光刻、LPCVD及硼离子注入在所述第一衬底和所述绝缘层上表面制备p型多晶硅作为第二热电腿；
所述第二热电腿平行于所述第一热电腿且与所述第一热电腿交错并排设置在每个所述加热元件两侧；
S6：通过光刻和磁控溅射在所述第一衬底和所述绝缘层上表面制备互联金属区、第一引线区、第二引线区、第三引线区及第四引线区；
在每个相邻的所述第一热电腿端头与所述第二热电腿端头之间设置一个所述互联金属区；
所述第一引线区分别对称设置在一个所述加热元件的两侧，且分别与最外侧的所述第二热电腿相连；
所述第二引线区分别对称设置在一个所述加热元件的两侧，且分别与最外侧的所述第一热电腿相连；
每个所述加热元件的同方向的一端设置所述第三引线区，另一端设置所述第四引线区；
S7：选用硅片作为第二衬底，通过光刻和RIE在第二衬底表面制备凹槽后，与第一衬底通过胶粘的方式连接在一起，形成流道，进而完成器件的制备；
所述磁性薄膜层的材料至少选用FePt、CoPt、CoNiMnP和Sr铁氧体材料中的一种，厚度为1μm-5μm。
2.根据权利要求1所述一种MEMS热温差型气体流量传感器芯片制备方法，其特征在于：所述第一衬底的材料为单晶硅，厚度为200μm -1000μm。
3.根据权利要求1所述一种MEMS热温差型气体流量传感器芯片制备方法，其特征在于：所述绝缘层为2个，对称设置在第一衬底的上表面，材料为氧化硅，厚度为100nm-500nm。
4.根据权利要求1所述一种MEMS热温差型气体流量传感器芯片制备方法，其特征在于：所述加热元件厚度为200nm-2μm，材料为铂、多晶硅、锗的其中一种；所述第一热电腿共为十六个，每8个为一组，每组中的所述第一热电腿均匀分为两排，分别对称且平行地设置在每个所述加热元件两侧；所述第一热电腿垂直于所述加热元件；每个所述第一热电腿厚度为500nm-5μm。
5.根据权利要求4所述一种MEMS热温差型气体流量传感器芯片制备方法，其特征在于：所述第二热电腿共有十六个，每8个为一组，每组中的所述第二热电腿均匀分为两排；每个所述第二热电腿的厚度为500nm-5μm。
6.根据权利要求1所述一种MEMS热温差型气体流量传感器芯片制备方法，其特征在于：所述互联金属区共有28个。
7.根据权利要求4所述一种MEMS热温差型气体流量传感器芯片制备方法，其特征在于：所述第一引线区共有四个，两个为一组；所述第二引线区共有四个，两个为一组；
所述互联金属区、所述第一引线区、所述第二引线区、所述第三引线区和所述第四引线区的材料为Al、Ti、Au、Cu中的至少一种，厚度都为500nm-5μm。
8.根据权利要求1所述一种MEMS热温差型气体流量传感器芯片制备方法，其特征在于：所述第二衬底的材料为单晶硅或玻璃，设置在第一衬底的正上方，厚度为200-1000μm；所述流道设置在所述第一衬底与所述第二衬底之间，高度为20-200μm。
9.根据权利要求4所述一种MEMS热温差型气体流量传感器芯片制备方法，其特征在于：两个所述加热元件的温度场叠加；第一热电腿、互联金属区与第二热电腿共同构成热电堆，每个所述加热元件与其邻近的所述热电堆为一组。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310825114.9A CN116539109B (zh) | 2023-07-06 | 2023-07-06 | 一种mems热温差型气体流量传感器芯片制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310825114.9A CN116539109B (zh) | 2023-07-06 | 2023-07-06 | 一种mems热温差型气体流量传感器芯片制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116539109A CN116539109A (zh) | 2023-08-04 |
| CN116539109B true CN116539109B (zh) | 2023-09-15 |
Family
ID=87451043
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310825114.9A Active CN116539109B (zh) | 2023-07-06 | 2023-07-06 | 一种mems热温差型气体流量传感器芯片制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116539109B (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101086456A (zh) * | 2006-06-06 | 2007-12-12 | 霍尼韦尔国际公司 | 具有双螺旋惠斯通电桥元件的流量传感器换能器 |
| CN101515002A (zh) * | 2009-03-18 | 2009-08-26 | 中国计量科学研究院 | 一种薄膜型热电转换器及测量方法 |
| CN111829603A (zh) * | 2019-04-19 | 2020-10-27 | 霍尼韦尔国际公司 | 基于热电堆的流量感测设备 |
| CN115077648A (zh) * | 2022-08-19 | 2022-09-20 | 无锡芯感智半导体有限公司 | 一种mems质量流量传感器及制备方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20220146292A1 (en) * | 2020-11-06 | 2022-05-12 | Honeywell International Inc. | Flow sensing device |
| JP2022139173A (ja) * | 2021-03-11 | 2022-09-26 | Ｍｍｉセミコンダクター株式会社 | フローセンサチップ |
-
2023
- 2023-07-06 CN CN202310825114.9A patent/CN116539109B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101086456A (zh) * | 2006-06-06 | 2007-12-12 | 霍尼韦尔国际公司 | 具有双螺旋惠斯通电桥元件的流量传感器换能器 |
| CN101515002A (zh) * | 2009-03-18 | 2009-08-26 | 中国计量科学研究院 | 一种薄膜型热电转换器及测量方法 |
| CN111829603A (zh) * | 2019-04-19 | 2020-10-27 | 霍尼韦尔国际公司 | 基于热电堆的流量感测设备 |
| CN115077648A (zh) * | 2022-08-19 | 2022-09-20 | 无锡芯感智半导体有限公司 | 一种mems质量流量传感器及制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116539109A (zh) | 2023-08-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN100440561C (zh) | 微机械热电堆红外探测器及其制作方法 | |
| Polla | Microelectromechanical systems based on ferroelectric thin films | |
| CN110146136B (zh) | 热堆式气体质量流量传感器及其制备方法 | |
| CN103185612B (zh) | 适于表面贴装封装的单硅片微流量传感器及其制备方法 | |
| CN207375750U (zh) | 一种mems微热板 | |
| CN112461312B (zh) | 热堆式气体质量流量传感器及其制造方法 | |
| US20060220164A1 (en) | Thermopile-based gas sensor | |
| CN112484800B (zh) | 热堆式气体质量流量传感器及其制备方法 | |
| CN103512682A (zh) | 一种薄片阵列热流传感器 | |
| CN102576721A (zh) | 具有三维微结构的热电换能器、制造该换能器的方法和该换能器的应用 | |
| CN101290255B (zh) | 0-50Pa单片硅基SOI超低微压传感器的制备方法 | |
| Reay et al. | Thermally and electrically isolated single crystal silicon structures in CMOS technology | |
| CN108007580A (zh) | 基于SiC热电材料的高温热流传感器及其制备方法 | |
| Lee et al. | Integrated micro-heat-pipe fabrication technology | |
| CN112067145A (zh) | 一种集成热敏电阻的红外热电堆传感器及制备方法 | |
| CN203490005U (zh) | 一种薄片阵列热流传感器 | |
| CN116539109B (zh) | 一种mems热温差型气体流量传感器芯片制备方法 | |
| CN108011030A (zh) | 一种SiC热电堆型高温热流传感器及其制备方法 | |
| CN112146717B (zh) | 一种高灵敏度mems流量传感器芯片 | |
| JP2568292B2 (ja) | サーモ・パイル形赤外線センサ | |
| CN1115731C (zh) | 自对准腐蚀制作微结构的方法及其制造的红外探测器 | |
| CN110862063A (zh) | 温度传感器制备方法及温度传感器 | |
| KR20120045878A (ko) | 실리콘 나노선 열전소자 및 그 제조방법 | |
| CN220398640U (zh) | 一种mems热温差型气体流量传感器 | |
| CN110451453A (zh) | 一种红外探测器的制备方法以及由此得到的红外探测器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP02 | Change in the address of a patent holder | ||
| CP02 | Change in the address of a patent holder |
Address after: No. 100-17 Dicui Road, Liyuan Development Zone, Wuxi City, Jiangsu Province, 214000 Patentee after: WUXI SENCOCH SEMICONDUCTOR Co.,Ltd. Address before: 214000 north side of 3 / F podium, building A10, No. 777, Jianshe West Road, Binhu District, Wuxi City, Jiangsu Province Patentee before: WUXI SENCOCH SEMICONDUCTOR Co.,Ltd. |