CN116659599A - 一种基于soi衬底的mems气体流量芯片制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于SOI衬底的MEMS气体流量芯片制备方法。本发明包括提供硅衬底；沉积一层多晶硅层，形成P型多晶硅半导体层；对P型多晶硅半导体层通过光刻图形化，形成上游热电堆下层热电偶、下游热电堆下层热电偶和中心热源，并暴露出第二氧化硅支撑层；制作一层第一绝缘层进行电绝缘隔离；对第一绝缘层进行光刻并形成冷热端连接通孔；在第一绝缘层表面沉积一层导电层，形成上游热电堆下层热电偶导线结构、下游热电堆下层热电偶导线结构和中心热源导线结构；在硅衬底的两端制作微流道通道集成凹槽，得到MEMS气体流量芯片本体；将SOI衬底与MEMS气体流量芯片本体进行倒装集成。本发明微流量检测的灵敏度高、测量范围广以及抗干扰能力强。
Description
技术领域
本发明涉及流量传感器技术领域，尤其是指一种基于SOI衬底的MEMS气体流量芯片制备方法。
背景技术
微流道MEMS（Microelectromechanical Systems，微电子机械系统）气体流量芯片是一种基于微机电系统技术制作的气体流量传感器，主要应用于气体流量测量和流量控制。与传统的气体流量计相比，微流道MEMS气体流量芯片具有结构紧凑、量程大、对微小流量响应迅速等优点，因此在工业自动化、能源管理、环境监测等领域中应用广泛。如在电力电子领域中，微流道MEMS气体流量芯片可以用于流量控制和冷却，提高电子系统的性能和可靠性。在环境领域中，用于设备的气体泄漏的监测。生命科学领域中，微流道MEMS气体流量芯片可以用于生物反应器中气体的流量控制，保证生物反应器中的气体营养物质和气体排出物的均衡，为生物反应器的培养和研究提供技术支撑。
然而，现有的MEMS热式流量传感器隔热层一般采用悬膜结构，此类的产品的缺点是在大气流冲击下悬膜会断裂造成传感芯片的损坏，严重影响了传感器的可靠性和寿命。此外，现有气体流量传感器的微流量检测的灵敏度、测量量程和抗干扰能力也有待进一步提高。
发明内容
为此，本发明提供一种基于SOI衬底的MEMS气体流量芯片制备方法，改善封装机械应力及大流量冲击对芯片的精度影响，提高了系统稳定性，且微流量检测的灵敏度高、测量范围广以及抗干扰能力强。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于SOI衬底的MEMS气体流量芯片制备方法，包括：
提供硅衬底，在所述硅衬底表面依次沉积一层第一氧化硅支撑层、一层氮化硅支撑层和一层第二氧化硅支撑层；
在所述第二氧化硅支撑层表面沉积一层多晶硅层，对所述多晶硅层通过离子注入和扩散掺杂，形成P型多晶硅半导体层；
对所述P型多晶硅半导体层通过光刻图形化，形成上游热电堆下层热电偶、下游热电堆下层热电偶和中心热源，并暴露出所述第二氧化硅支撑层；
在光刻图形化后的所述P型多晶硅半导体层上制作一层第一绝缘层进行电绝缘隔离，所述第一绝缘层分别覆盖所述上游热电堆下层热电偶、所述下游热电堆下层热电偶、所述中心热源和所述第二氧化硅支撑层各自的表面；
对所述第一绝缘层进行光刻并形成分别位于所述上游热电堆下层热电偶、所述下游热电堆下层热电偶和所述中心热源各自表面上侧的至少一个冷热端连接通孔；
在所述第一绝缘层表面沉积一层导电层，对所述导电层进行光刻图形化，形成分别通过所述冷热端连接通孔与所述上游热电堆下层热电偶、所述下游热电堆下层热电偶和所述中心热源相接触的上游热电堆下层热电偶导线结构、下游热电堆下层热电偶导线结构和中心热源导线结构；
在所述第一绝缘层表面沉积一层第二绝缘层，所述第二绝缘层覆盖所述上游热电堆下层热电偶导线结构、所述下游热电堆下层热电偶导线结构和所述中心热源导线结构；
在所述第二绝缘层表面沉积一层钝化层；
通过深硅刻蚀将所述硅衬底刻蚀出背面释放腔；
在所述硅衬底沿芯片第二轴的两端制作微流道通道集成凹槽，得到MEMS气体流量芯片本体；
提供具有背腔的SOI衬底；
将所述SOI衬底与所述MEMS气体流量芯片本体进行倒装集成，使得在所述SOI衬底的背腔和所述MEMS气体流量芯片本体之间形成气体微流道通道结构。
在本发明的一种实施方式中，所述在所述硅衬底表面依次沉积一层第一氧化硅支撑层、一层氮化硅支撑层和一层第二氧化硅支撑层，包括：
首先进行LPCVD沉积一层厚度在0.1~10μm的第一氧化硅支撑层，接着，在氧化硅支撑层的表面利用化学气相沉积一层厚度在0.01~1μm的氮化硅支撑层，并在氮化硅支撑层上再沉积一层厚度在0.01~1μm的第二氧化硅支撑层。
在本发明的一种实施方式中，所述形成P型多晶硅半导体层，包括：
采用PECVD工艺溅射一层厚度在0.1~5μm的P型多晶硅。
在本发明的一种实施方式中，所述上游热电堆下层热电偶包括沿芯片第一轴向剖面对称设置的上游热电堆测温负电极和上游热电堆测温正电极；
所述下游热电堆下层热电偶包括沿芯片第一轴向剖面对称设置的下游热电堆测温负电极和下游热电堆测温正电极；
所述上游热电堆测温负电极和所述下游热电堆测温负电极沿芯片第二轴向剖面对称设置；所述上游热电堆测温正电极和所述下游热电堆测温正电极沿芯片第二轴向剖面对称设置；
所述中心热源包括第一组中心热源和第二组中心热源，所述第一组中心热源包括沿芯片第二轴向剖面对称设置且位于所述上游热电堆测温负电极和所述下游热电堆测温负电极中心的第一中心热源加热负电极和第一中心热源加热正电极，所述第二组中心热源包括沿芯片第二轴向剖面对称设置且位于所述上游热电堆测温正电极和所述下游热电堆测温正电极中心的第二中心热源加热负电极和第二中心热源加热正电极。
在本发明的一种实施方式中，所述导电层为厚度在0.1~10μm的铝导电层，通过金属磁控溅射沉积形成。
在本发明的一种实施方式中，所述第一绝缘层采用厚度在0.5~5μm的氧化硅，通过PECVD沉积形成；所述第二绝缘层采用厚度在0.1~10μm的氧化硅，通过PECVD沉积形成。
在本发明的一种实施方式中，所述钝化层为通过PECVD沉积法沉积形成的且厚度在0.01~10μm的氮化硅钝化层。
在本发明的一种实施方式中，所述在所述硅衬底的两端制作微流道通道集成凹槽，包括：
通过结合光刻技术对所述硅衬底进行蚀刻，得到槽深在100~300μm且集成于所述气体微流道通道结构的微流道通道集成凹槽。
在本发明的一种实施方式中，所述具有背腔的SOI衬底的制备方法，包括：
提供两片500-800μm厚度的第一N型双抛硅片和第二N型双抛硅片，并分别减薄处理至所需厚度；
将减薄处理后的所述第一N型双抛硅片和所述第二N型双抛硅片分别依次放在丙酮、去离子水、无水乙醇和去离子水中进行超声波处理10-60分钟后，在100℃下烘干100-200分钟，以备使用；
将第一N型双抛硅片表面通过热氧化处理形成一层氧化硅层；
通过离子注入将氢离子注入第一片N型双抛硅片中，形成一层气泡层；
将第二N型双抛硅片与具有气泡层的第一N型双抛硅片进行热压高温硅-硅键合，经过400~600℃的热反应，在经过氢离子注入使在氢离子富集处即所述气泡层处断裂，通过高温处理驱除氢离子，从而使结合的界面形成Si-O-Si键，再对结合的界面的表面进行CMP平坦化处理；
对键合后的SOI衬底背面进行光刻及干法刻蚀的工艺处理，形成具有背腔的SOI衬底。
在本发明的一种实施方式中，所述将所述SOI衬底与所述MEMS气体流量芯片本体进行倒装集成，包括：
对所述SOI衬底的底面以及所述微流道通道集成凹槽的表面位置进行抛光，将所述MEMS气体流量芯片本体的敏感区域与所述SOI衬底的背腔对位集成，并形成气体微流道通道结构，气体微流道最大直径100~500μm；
在所述SOI衬底和所述微流道通道集成凹槽的抛光面固定位置分别旋涂一层厚度为20~100μm的光学胶粘剂，然后，将两光胶件放置在50-100℃的恒温环境中，并保持3±0.1小时；
在所述SOI衬底与所述MEMS气体流量芯片本体上施加预定的压力以实现光胶结合，并进行WLP封装；
在光胶面的接触边缘外侧，涂覆一薄层光敏胶。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
（1）现有的MEMS热式流量传感器隔热层一般采用悬膜结构，此类的产品的缺点是在大气流冲击下悬膜会断裂造成传感芯片的损坏。为了保证流量传感器的稳定性，本发明通过采用倒装封装结构，将制作好的MEMS气体流量芯片与SOI衬底进行倒装封装，改善了封装机械应力及大流量冲击对芯片的精度影响，提高了系统稳定性。
（2）通过SOI衬底和MEMS气体流量芯片本体进行倒装封装形式，形成气体微流道通道结构，气体微流道通道结构最大直径100~500μm，通过WLP晶圆封装所形成的气体微流道通道结构，作用为在气流主流道方向经过微流通道流经芯片表面，则流量芯片表面所受到的流量为分流量，分流的气体微流道通道结构可以使流量减少，提高芯片上下游输出电压到达饱和的时间，进而提高整体芯片的可测量量程；同时由于芯片热源产生的热量不变，当有流量流经芯片表面时，芯片上下游测温模块的温度差对流量的响应更为敏感，通过气体微流道通道结构的设计增大了上下游热量变化量，从而增大芯片对微流量检测的灵敏度。
（3）本发明采用中心双热源结构，提高了测量的准确性和稳定性，双热源结构采用两组独立的P型多晶硅半导体中心热源，优势如下：
当对第一组中心热源供电时，其P型多晶硅半导体的电阻发热并当作热源，第二组中心热源可以用来做测试温度电阻，可以通过测试其阻值R2来检测第一组中心热源的产生的温度，以及上下游热电堆的输出值U1与U2，进而算出△V1=U1-U2，同理，当第二组中心热源供电时，其电阻当作热源，第一组中心热源可以用来做测试温度电阻，可以通过测试第一组中心热源R1检测第二组中心热源作为中心热源的产生的温度，以及上下游热电堆的输出值U3与U4，进而算出△V2=U3-U4，通过上述方式，可以检测晶圆代工工艺的一致性，即两组铂电阻的发热量是否一致，通过计算△R=R1-R2，△V=△V1-△V2是否分别符合阈值△δ、△ε以内，作为两组热源的单组自检测及测温热电堆的自检测的评价，双热源的设计可以作为双自检测的一个理论依据；
可以提高器件的普适性，用于不同量程检测：当只对其中一组中心热源进行供电时，单组热源可以测得的量程为X，而当给双热源组同时供电时，则可测量量程能达到1.5X~2X，单组热源的因只需给单组热源进行供电功耗更低，响应时间更快，双热源结构因中心热源产生的热量更多，当受到流量的变化时，上下游热量的改变速度更快，灵敏度更高，上下游热量的改变值，即导致的温差绝对值亦会更大，扩大了线性测量范围，所以双热源结构设计，可以使器件量程更大，可以满足用户应对不用应用场景的不同需求；
增强了抗干扰能力：双热源结构可以通过多重温度差的合并，降低电源、温度和流体纵向均匀性方面的误差，增强了热式流量计的抗干扰能力。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的第一N型双抛硅片和第二N型双抛硅片的示意图。
图2是本发明在双抛硅片表面制作氧化硅层和气泡层的示意图。
图3是本发明第一N型双抛硅片和第二N型双抛硅片键合示意图。
图4是本发明气泡层断裂后的示意图。
图5是本发明结合的界面形成Si-O-Si键的示意图。
图6是本发明制作背腔的SOI衬底的示意图。
图7是本发明P型双抛硅片的示意图。
图8是本发明制作支撑层以及热电堆的示意图。
图9是本发明制作冷热端连接通孔和第一绝缘层的示意图。
图10是本发明制作导线结构和钝化层的示意图。
图11是本发明制作背面释放腔的示意图。
图12是本发明制作微流道通道集成凹槽的示意图。
图13是本发明SOI衬底与所述MEMS气体流量芯片本体倒装集成的示意图。
图14是本发明微流道MEMS气体流量芯片的俯视示意图。
说明书附图标记说明：
1、第一N型双抛硅片；2、第二N型双抛硅片；3、氧化硅层；4、气泡层；5、背腔；6、P型双抛硅片；7、第一氧化硅支撑层；8、氮化硅支撑层；9、第二氧化硅支撑层；10、上游热电堆下层热电偶；11、下游热电堆下层热电偶；12、中心热源；13、第一绝缘层；14、冷热端连接通孔；15、上游热电堆下层热电偶导线结构；16、下游热电堆下层热电偶导线结构；17、中心热源导线结构；18、第二绝缘层；19、钝化层；20、背面释放腔；21、微流道通道集成凹槽；22、光学胶粘剂；23、上游热电堆测温负电极；24、第一中心热源加热负电极；25、第一中心热源加热正电极；26、下游热电堆测温负电极；27、上游热电堆测温正电极；28、第二中心热源加热负电极；29、第二中心热源加热正电极；30、下游热电堆测温正电极；
100、硅衬底；200、SOI衬底。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明中，如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，其仅是为了便于描述本发明的技术方案，而不是指示或暗示所指的技术特征必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明中，“若干”的含义是一个或者多个，“多个”的含义是两个以上，“大于”“小于”“超过”等理解为不包括本数；“以上”“以下”“以内”等理解为包括本数。在本发明的描述中，如果有描述到“第一”“第二”仅用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明中，除非另有明确的限定，“设置”“安装”“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接，也可以是电连接或能够互相通讯；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1所示，本发明的一种基于SOI衬底200的微流道MEMS气体流量芯片制备方法，包括：
S1、提供具有背腔5的SOI（Silicon on Insulator，绝缘体上硅）衬底；
其中，所述具有背腔5的SOI衬底200的制备方法包括（X-X`轴向剖面）：
S101、提供两片500-800μm厚度的第一N型双抛硅片1和第二N型双抛硅片2，可按照标准将衬底基片处理减薄至所需厚度；如图1所示；
S102、将减薄处理后的所述第一N型双抛硅片1和所述第二N型双抛硅片2分别依次放在丙酮、去离子水、无水乙醇和去离子水中进行超声波处理10-60分钟后，在100℃下烘干100-200分钟，以备使用；
S103、将所述第一N型双抛硅片1表面通过热氧化处理形成一层氧化硅层3；
S104、通过离子注入将氢离子注入所述第一片N型双抛硅片中，形成一层气泡层4；如图2所示；
S105、将所述第二N型双抛硅片2与具有所述气泡层4的第一N型双抛硅片1进行热压高温硅-硅键合，这种键合过程利用高温和压力使两片晶圆紧密结合；再经过400~600℃的热反应，经过氢离子注入使在氢离子富集处即所述气泡层4处断裂，通过高温处理（1100℃），氢离子会被驱除，从而使结合的界面形成Si-O-Si键，这个过程可以强化化学键并提升SOI衬底200的品质，再对结合的界面的表面进行CMP（化学机械抛光）平坦化处理，CMP是一种常用的表面处理技术，通过机械性研磨和化学溶解，去除表面的不平坦和杂质，使其变得更加平坦，以满足器件制造的要求；如图3至图5所示；
S106、对键合后的SOI衬底200背面进行光刻及干法刻蚀的工艺处理，形成具有背腔5的SOI衬底200，背腔5贯穿至氧化硅层3表面；其中，氧化硅层3可以作为刻蚀截止层，背腔5作为后续的气体微流道通道结构的流通，背腔5为倒梯形结构；如图6所示。
通过上述这些工艺步骤，可以获得带有背腔5的SOI衬底200结构，用于后续流量芯片器件的制备。
S2、提供硅衬底100；
其中，硅衬底100的制备方法包括：对P型双抛硅片6进行清洗处理，然后进行减薄处理，使其厚度在400-600μm范围内；如图7所示。
S3、在所述硅衬底100表面依次沉积一层第一氧化硅支撑层7、一层氮化硅支撑层8和一层第二氧化硅支撑层9；如图8所示；
其中，首先进行LPCVD沉积一层厚度在0.1~10μm的第一氧化硅支撑层7，接着，在氧化硅支撑层的表面利用化学气相沉积一层厚度在0.01~1μm的氮化硅支撑层8，并在氮化硅支撑层8上再沉积一层厚度在0.01~1μm的第二氧化硅支撑层9。通过这种设计，利用氮化硅与氧化硅的应力反向的特性，可以产生拉应力与压应力，可以改善支撑膜层的应力分布，在一定程度上减轻或平衡应力集中问题，并且通过三层支撑层结构能够提高硅片的机械稳定性和可靠性，减少对器件性能的不利影响。
S4、在所述第二氧化硅支撑层9表面沉积一层多晶硅层，对所述多晶硅层通过离子注入和扩散掺杂，形成P型多晶硅半导体层；
其中，采用PECVD（等离子体增强化学气相沉积）工艺溅射一层厚度在0.1~5μm的P型多晶硅。
S5、对所述P型多晶硅半导体层通过光刻图形化，形成上游热电堆下层热电偶10、下游热电堆下层热电偶11和中心热源12，并暴露出所述第二氧化硅支撑层9；如图8所示；参照图14所示，其中，
所述上游热电堆下层热电偶10包括沿芯片第一轴（图14中Y-Y`方向）向剖面对称设置的上游热电堆测温负电极23和上游热电堆测温正电极27；
所述下游热电堆下层热电偶11包括沿芯片第一轴向剖面对称设置的下游热电堆测温负电极26和下游热电堆测温正电极30；
所述上游热电堆测温负电极23和所述下游热电堆测温负电极26沿芯片第二轴（图14中X-X`方向）向剖面对称设置；所述上游热电堆测温正电极27和所述下游热电堆测温正电极30沿芯片第二轴向剖面对称设置；
所述中心热源12包括第一组中心热源和第二组中心热源，所述第一组中心热源12包括沿芯片第二轴向剖面对称设置且位于所述上游热电堆测温负电极23和所述下游热电堆测温负电极26中心的第一中心热源加热负电极24和第一中心热源加热正电极25，所述第二组中心热源12包括沿芯片第二轴向剖面对称设置且位于所述上游热电堆测温正电极27和所述下游热电堆测温正电极30中心的第二中心热源加热负电极28和第二中心热源加热正电极29。
通过设置中心双热源结构，具有以下优势：
提高测量准确性和稳定性：通过采用两组独立的中心热源12，可以同时测量两个热源产生的温度和上下游热电堆的输出值，通过比较温度差和电压差，可以检测晶圆代工工艺的一致性和热量发散的一致性，从而提高测量的准确性和稳定性。
可以扩大量程检测范围：当只给其中一组中心热源12供电时，可以测量的量程为X。但是当给双热源组同时供电时，量程可以扩大到1.5X~2X。此外，单组热源的响应时间更快，功耗更低，而双热源结构具有更高的灵敏度和更大的温差值，从而扩大了线性测量范围。因此，双热源结构可以适用于不同量程检测的需求。
增强抗干扰能力：通过合并多重温度差，该结构可以降低电源、温度和流体均匀性方面的误差，从而增强了热式流量计的抗干扰能力，这意味着在面对外部干扰时，该结构可以更稳定地测量流量。
S6、在光刻图形化后的所述P型多晶硅半导体层上制作一层第一绝缘层13进行电绝缘隔离，所述第一绝缘层13分别覆盖所述上游热电堆下层热电偶10、所述下游热电堆下层热电偶11、所述中心热源12和所述第二氧化硅支撑层9各自的表面；
其中，所述第一绝缘层13采用厚度在0.5~5μm的氧化硅；
S7、对所述第一绝缘层13进行光刻并形成分别位于所述上游热电堆下层热电偶10、所述下游热电堆下层热电偶11和所述中心热源12各自表面上侧的至少一个冷热端连接通孔14；
S8、在所述第一绝缘层13表面沉积一层导电层，对所述导电层进行光刻图形化，形成分别通过所述冷热端连接通孔14与所述上游热电堆下层热电偶10、所述下游热电堆下层热电偶11和所述中心热源12相接触的上游热电堆下层热电偶导线结构15、下游热电堆下层热电偶导线结构16和中心热源导线结构17；如图9所示；
其中，所述导电层可为铝、铜或金等，优选为厚度在0.1~10μm的铝导电层，可通过金属磁控溅射沉积形成；
通过上述设置，靠近热源热端的冷热端连接通孔14使P型多晶硅上游热电堆下层热电偶10与上层的铝导电层在热端直接相连，同时，P型多晶硅下游热电堆下层热电偶11靠近冷端的冷热端连接通孔14与相邻的热偶对的上层铝导电层冷端相连。实现更有效的温度梯度和热流传递，有助于提高热电堆的性能，增加其产生的电能输出。
S9、在所述第一绝缘层13表面沉积一层第二绝缘层18，所述第二绝缘层18覆盖所述上游热电堆下层热电偶导线结构15、所述下游热电堆下层热电偶导线结构16和所述中心热源导线结构17；如图10所示；
其中，所述第二绝缘层18采用厚度在0.1~10μm的氧化硅，可通过PECVD沉积形成。
S10、在所述第二绝缘层18表面沉积一层钝化层19；其中，采用氮化硅钝化层，氮化硅电子元钝化层通过PECVD沉积法沉积形成，厚度在0.01~10μm。
S11、通过深硅刻蚀将所述硅衬底100刻蚀出背面释放腔20，以分别释放所述上游热电堆下层热电偶10、所述下游热电堆下层热电偶11和所述中心热源12的位置，防止热量损失；所述背面释放腔20为倒梯形结构；如图11所示。
S12、通过RIE（Reactive Ion Etching，反应离子刻蚀）结合光刻技术对所述硅衬底100进行蚀刻，得到位于所述硅衬底100的两端（沿沿芯片第二轴方向）的且集成于所述气体微流道通道结构的微流道通道集成凹槽21，其中，微流道通道集成凹槽21的槽深在100~300μm，最终得到MEMS气体流量芯片本体；图12所示。
S13、将所述SOI衬底200与所述MEMS气体流量芯片本体进行倒装SIP（System inPackage）集成；使得在所述SOI衬底200的背腔5和所述MEMS气体流量芯片本体之间形成气体微流道通道结构；参照图13所示。
所述气体微流道通道结构的直径（沿芯片第一轴方向）在100~500μm。
其中，具体倒装SIP集成过程如下：
S131、对集成器件的胶合面进行超精密抛光；包括对所述SOI衬底200的底面以及所述微流道通道集成凹槽21的表面位置进行抛光，将所述MEMS气体流量芯片本体的敏感区域与所述SOI衬底200的背腔5对位集成，并形成气体微流道通道结构，气体微流道最大直径100~500μm；这样的集成结构可以提高整体芯片测试量程及提升对微小流量的检测灵敏度；通过抛光，能够使SOI衬底200和微流道通道集成凹槽21的表面位置变得更加平整，这种平整的表面能够确保两个器件能够紧密接触和粘合，形成可靠的集成结构。
S132、在所述SOI衬底200（位于背腔5旁侧的表面）和所述微流道通道集成凹槽21的抛光面固定位置分别旋涂一层厚度为20~100μm的光学胶粘剂22，然后，将两光胶件（光学胶粘剂层）放置在50-100℃的恒温环境中，保持3±0.1小时左右，这样的温度和时间条件有助于提高器件温度的均匀性，使光学胶粘剂22能够更好地牢固粘合，恒温处理有助于光胶的固化、硬化和粘合过程，提高封装的可靠性；光学胶粘剂22在充分固化后，能够牢固地粘合SOI衬底200和MEMS气体流量芯片本体，形成一个紧密的集成结构。光胶具有较好的透明性和光学性能，能够提供良好的保护和连接效果，并满足密封和稳定封装的要求。
S133、在所述SOI衬底200与所述MEMS气体流量芯片本体上施加一定的压力实现光胶结合，进行WLP（Wafer-Level Packaging）封装；压力可以通过加压装置或其他封装设备来实现，施加压力有助于光胶的牢固粘合，确保器件之间的良好接触和连接，之后在光胶面的接触边缘外侧，涂覆一薄层光敏胶。光敏胶是一种敏感于特定波长的光线的胶材料，涂覆光敏胶的目的是强化光胶的效果，加强封装的稳定性和可靠性。当光敏胶暴露在特定波长的光线下时，它会发生化学反应和固化，从而形成坚固的粘合层，进一步增加封装的牢固性。
最终，得到基于SOI衬底200的微流道MEMS气体流量芯片，该芯片具有良好的机械稳定性和可靠性，能够准确、快速地检测气体流量，且制备过程简单，成本低，适合大规模生产。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种基于SOI衬底（200）的微流道MEMS气体流量芯片制备方法，其特征在于，包括：
提供硅衬底（100），在所述硅衬底（100）表面依次沉积一层第一氧化硅支撑层（7）、一层氮化硅支撑层（8）和一层第二氧化硅支撑层（9）；
在所述第二氧化硅支撑层（9）表面沉积一层多晶硅层，对所述多晶硅层通过离子注入和扩散掺杂，形成P型多晶硅半导体层；
对所述P型多晶硅半导体层通过光刻图形化，形成上游热电堆下层热电偶（10）、下游热电堆下层热电偶（11）和中心热源（12），并暴露出所述第二氧化硅支撑层（9）；
在光刻图形化后的所述P型多晶硅半导体层上制作一层第一绝缘层（13）进行电绝缘隔离，所述第一绝缘层（13）分别覆盖所述上游热电堆下层热电偶（10）、所述下游热电堆下层热电偶（11）、所述中心热源（12）和所述第二氧化硅支撑层（9）各自的表面；
对所述第一绝缘层（13）进行光刻并形成分别位于所述上游热电堆下层热电偶（10）、所述下游热电堆下层热电偶（11）和所述中心热源（12）各自表面上侧的至少一个冷热端连接通孔（14）；
在所述第一绝缘层（13）表面沉积一层导电层，对所述导电层进行光刻图形化，形成分别通过所述冷热端连接通孔（14）与所述上游热电堆下层热电偶（10）、所述下游热电堆下层热电偶（11）和所述中心热源（12）相接触的上游热电堆下层热电偶导线结构（15）、下游热电堆下层热电偶导线结构（16）和中心热源导线结构（17）；
在所述第一绝缘层（13）表面沉积一层第二绝缘层（18），所述第二绝缘层（18）覆盖所述上游热电堆下层热电偶导线结构（15）、所述下游热电堆下层热电偶导线结构（16）和所述中心热源导线结构（17）；
在所述第二绝缘层（18）表面沉积一层钝化层（19）；
通过深硅刻蚀将所述硅衬底（100）刻蚀出背面释放腔（20）；
在所述硅衬底（100）沿芯片第二轴的两端制作微流道通道集成凹槽（21），得到MEMS气体流量芯片本体；
提供具有背腔（5）的SOI衬底（200）；
将所述SOI衬底（200）与所述MEMS气体流量芯片本体进行倒装集成，使得在所述SOI衬底（200）的背腔（5）和所述MEMS气体流量芯片本体之间形成气体微流道通道结构；
所述上游热电堆下层热电偶（10）包括沿芯片第一轴向剖面对称设置的上游热电堆测温负电极（23）和上游热电堆测温正电极（27）；
所述下游热电堆下层热电偶（11）包括沿芯片第一轴向剖面对称设置的下游热电堆测温负电极（26）和下游热电堆测温正电极（30）；
所述上游热电堆测温负电极（23）和所述下游热电堆测温负电极（26）沿芯片第二轴向剖面对称设置；所述上游热电堆测温正电极（27）和所述下游热电堆测温正电极（30）沿芯片第二轴向剖面对称设置；
所述中心热源（12）包括第一组中心热源和第二组中心热源（12），所述第一组中心热源（12）包括沿芯片第二轴向剖面对称设置且位于所述上游热电堆测温负电极（23）和所述下游热电堆测温负电极（26）中心的第一中心热源加热负电极（24）和第一中心热源加热正电极（25），所述第二组中心热源包括沿芯片第二轴向剖面对称设置且位于所述上游热电堆测温正电极（27）和所述下游热电堆测温正电极（30）中心的第二中心热源加热负电极（28）和第二中心热源加热正电极（29）；
所述将所述SOI衬底（200）与所述MEMS气体流量芯片本体进行倒装集成，包括：
对所述SOI衬底（200）的底面以及所述微流道通道集成凹槽（21）的表面位置进行抛光，将所述MEMS气体流量芯片本体的敏感区域与所述SOI衬底（200）的背腔（5）对位集成，并形成气体微流道通道结构，气体微流道最大直径100~500μm；
在所述SOI衬底（200）和所述微流道通道集成凹槽（21）的抛光面固定位置分别旋涂一层厚度为20~100μm的光学胶粘剂（22），然后，将两光胶件放置在50-100℃的恒温环境中，并保持3±0.1小时；
在所述SOI衬底（200）与所述MEMS气体流量芯片本体上施加预定的压力以实现光胶结合，并进行WLP封装；
在光胶面的接触边缘外侧，涂覆一薄层光敏胶。
2.根据权利要求1所述的一种基于SOI衬底（200）的微流道MEMS气体流量芯片制备方法，其特征在于，所述在所述硅衬底（100）表面依次沉积一层第一氧化硅支撑层（7）、一层氮化硅支撑层（8）和一层第二氧化硅支撑层（9），包括：
首先进行LPCVD沉积一层厚度在0.1~10μm的第一氧化硅支撑层（7），接着，在氧化硅支撑层的表面利用化学气相沉积一层厚度在0.01~1μm的氮化硅支撑层（8），并在氮化硅支撑层（8）上再沉积一层厚度在0.01~1μm的第二氧化硅支撑层（9）。
3.根据权利要求1所述的一种基于SOI衬底（200）的微流道MEMS气体流量芯片制备方法，其特征在于，所述形成P型多晶硅半导体层，包括：
采用PECVD工艺溅射一层厚度在0.1~5μm的P型多晶硅。
4.根据权利要求1所述的一种基于SOI衬底（200）的微流道MEMS气体流量芯片制备方法，其特征在于，所述导电层为厚度在0.1~10μm的铝导电层，通过金属磁控溅射沉积形成。
5.根据权利要求1所述的一种基于SOI衬底（200）的微流道MEMS气体流量芯片制备方法，其特征在于，所述第一绝缘层（13）采用厚度在0.5~5μm的氧化硅，通过PECVD沉积形成；所述第二绝缘层（18）采用厚度在0.1~10μm的氧化硅，通过PECVD沉积形成。
6.根据权利要求1所述的一种基于SOI衬底（200）的微流道MEMS气体流量芯片制备方法，其特征在于，所述钝化层（19）为通过PECVD沉积法沉积形成的且厚度在0.01~10μm的氮化硅钝化层（19）。
7.根据权利要求1所述的一种基于SOI衬底（200）的微流道MEMS气体流量芯片制备方法，其特征在于，所述在所述硅衬底（100）的两端制作微流道通道集成凹槽（21），包括：
通过结合光刻技术对所述硅衬底（100）进行蚀刻，得到槽深在100~300μm且集成于所述气体微流道通道结构的微流道通道集成凹槽（21）。
8.根据权利要求1所述的一种基于SOI衬底（200）的微流道MEMS气体流量芯片制备方法，其特征在于，所述具有背腔（5）的SOI衬底（200）的制备方法，包括：
提供两片500-800μm厚度的第一N型双抛硅片（1）和第二N型双抛硅片（2），并分别减薄处理至所需厚度；
将减薄处理后的所述第一N型双抛硅片（1）和所述第二N型双抛硅片（2）分别依次放在丙酮、去离子水、无水乙醇和去离子水中进行超声波处理10-60分钟后，在100℃下烘干100-200分钟，以备使用；
将第一N型双抛硅片（1）表面通过热氧化处理形成一层氧化硅层（3）；
通过离子注入将氢离子注入第一片N型双抛硅片中，形成一层气泡层（4）；
将第二N型双抛硅片（2）与具有气泡层（4）的第一N型双抛硅片（1）进行热压高温硅-硅键合，经过400~600℃的热反应，在经过氢离子注入使在氢离子富集处即所述气泡层（4）处断裂，通过高温处理驱除氢离子，从而使结合的界面形成Si-O-Si键，再对结合的界面的表面进行CMP平坦化处理；
对键合后的SOI衬底（200）背面进行光刻及干法刻蚀的工艺处理，形成具有背腔（5）的SOI衬底（200）。
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