CN117800283A - 一种mems流量传感器的制作方法及由此得到的流量传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS流量传感器的制作方法及由此得到的流量传感器，制作方法包括如下步骤：提供一衬底，于衬底上形成牺牲层，并在牺牲层上刻蚀出窗口；在衬底上形成具有圆弧形截面的内腔，随后去除牺牲层；于衬底及内腔的上表面形成支撑层，并在支撑层表面形成加热元件和感温元件；形成至少覆盖加热元件和感温元件的绝缘层，并在绝缘层上刻蚀出窗口；在衬底上形成隔热腔体，内腔位于隔热腔体的上方。通过本发明制作方法得到的流量传感器，不仅具有体积小、响应快、稳定性高等优点，还利用内腔结构，选择性地增大区域热阻，有利于减少该区域热量散失，提高整体热利用效率，可在不增大传感器尺寸或提高传感器功耗的前提下，有效提高其灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于流量测量技术领域，特别涉及一种MEMS流量传感器的制作方法及由此得到的流量传感器。
背景技术
流量计量是工业生产和科学研究的基本需求。在诸多流量传感器品类中，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。MEMS热温差式流量传感器主要包括集成在同一基底上的三个单元：位于中心的加热元件和对称分布在其上下游的两个感温单元。加热元件通过焦耳热加热传感器表面，当无气体流动时，表面温度以加热元件为中心呈正态分布，上下游感温单元具有相同的电信号；当有气体流动时，气体分子转移热量使表面的温度分布发生偏移，上下游感温单元的电信号随之产生差异，利用这种差异就可推算出气体流量。
灵敏度是流量传感器最重要的指标之一，为提高MEMS热温差式流量传感器的灵敏度，人们主要发展了三种技术方案：采用热导率较小的悬膜结构来减小基底的热耗散；采用具有更高塞贝克系数的热电材料；采用更大的面积或更密的排列方式来增加热电堆的对数。然而，随着应用的不断推广和深入，这些方法均不能满足对高灵敏度的要求。如上所述，MEMS热温差式流量传感器是通过测量因气体流动而造成的温度变化来反映气体流量的，其中起主要作用的是热传导和热对流。因此，通过改变悬膜结构来增大区域热阻、减少热量散失，有望进一步提高流量传感器的灵敏度。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种MEMS流量传感器的制作方法及由此得到的流量传感器，通过改变悬膜结构，增大区域热阻，提高流量传感器的灵敏度。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种MEMS流量传感器的制作方法，包括如下步骤：
提供一衬底，于所述衬底上形成牺牲层，并在所述牺牲层上刻蚀出窗口；
通过牺牲层上的窗口对所述衬底进行各向同性腐蚀，以在所述衬底上形成具有圆弧形截面的内腔，随后去除所述牺牲层；
于所述衬底及所述内腔的上表面形成支撑层，并在所述支撑层表面形成加热元件和感温元件，至少部分所述加热元件和所述感温元件形成在所述内腔的上方；
形成至少覆盖所述加热元件和感温元件的绝缘层，并在所述绝缘层上刻蚀出窗口；
在所述衬底上形成隔热腔体，所述内腔位于所述隔热腔体的上方。
上述方案中，所述内腔通过XeF2气体或HNA溶液对所述衬底进行腐蚀形成。
上述方案中，所述牺牲层、所述绝缘层及所述窗口通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法形成。
上述方案中，所述牺牲层、所述支撑层、所述绝缘层的材质为氧化硅、氮化硅或二者的复合膜层，其中，氧化硅通过热氧化、LPCVD或PECVD工艺形成，氮化硅通过LPCVD或PECVD工艺形成。
上述方案中，所述隔热腔体采用背面工艺形成，即通过各向异性腐蚀、各向同性腐蚀或干法刻蚀的方法由所述衬底的下表面向内凹入贯穿整个衬底形成；若采用各向同性腐蚀或干法刻蚀的方法，则所述衬底的材质为硅片，不受晶面的限制；若采用各向异性腐蚀的方法，则所述衬底的材质仅限为(100)晶面的硅片。
上述方案中，所述隔热腔体采用正面工艺形成，即通过各向异性腐蚀或各向同性腐蚀的方法由衬底的上表面向内凹入一定深度形成；若采用各向同性腐蚀的方法，则所述衬底的材质为硅片，不受晶面的限制；若采用各向异性腐蚀的方法，则所述衬底的材质仅限为(100)晶面的硅片。
上述方案中，形成所述加热元件及感温元件的方法为：
在所述支撑层上形成具有预设图形的导电层；
或：
在所述支撑层上形成具有预设图形的第一导电层；
在所述第一导电层上形成第一绝缘层，并刻蚀出窗口；
在所述第一绝缘层上形成具有预设图形的第二导电层，部分所述第二导电层通过所述第一绝缘层上的窗口与所述第一导电层实现电学连接。
进一步的技术方案中，所述导电层、所述第一导电层、所述第二导电层的材质为掺杂多晶硅或金属，但所述第一导电层、所述第二导电层为不同材质；其中，掺杂多晶硅通过LPCVD、离子注入、高温退火的工艺组合形成，或通过多晶硅原位掺杂工艺形成，金属通过磁控溅射、干法刻蚀的工艺组合形成，或通过蒸镀、干法刻蚀的工艺组合形成，或通过Lift-off工艺形成。
进一步的技术方案中，所述第一绝缘层的材质为氧化硅、氮化硅或二者的复合膜层，其中，氧化硅通过热氧化、LPCVD或PECVD工艺形成，氮化硅通过LPCVD或PECVD工艺形成，所述第一绝缘层上的窗口通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法形成。
一种流量传感器，所述流量传感器通过如上任一项所述MEMS流量传感器的制作方法制作而成。
通过上述技术方案，本发明提供的一种MEMS流量传感器的制作方法及由此得到的流量传感器，具有以下有益效果：
1、本发明基于MEMS技术制作的热温差式流量传感器，具有体积小、响应快、稳定性高等优点，且制备过程简单，与现行成熟的微加工工艺兼容，易于批量生产。
2、与常规MEMS流量传感器及其制作工艺相比，本发明通过在非平面膜结构上制作加热元件或其上下游的感温单元，选择性地增大了热阻，有利于减少区域热量散失，提高整体热利用效率，可在不增大传感器尺寸或提高传感器功耗的前提下，有效提高其灵敏度。
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1为本发明实施例1所公开的一种MEMS流量传感器的制作方法流程图；
图2a-2h为本发明实施例1所公开的制作方法的具体工艺步骤示意图，其中，图2h为本发明实施例1所公开的MEMS流量传感器的剖面示意图；
图3为本发明实施例2所公开的MEMS流量传感器的剖面示意图；
图4为本发明实施例3所公开的MEMS流量传感器的剖面示意图；
图5为本发明实施例4所公开的MEMS流量传感器的剖面示意图。
图中，10、衬底；01、牺牲层；02、第一窗口；03、第二窗口；04、第三窗口；11、内腔；12、隔热腔体；20、支撑层；21、第一绝缘层；22、第二绝缘层；30、第一导电层；31、第二导电层；40、加热元件；41、感温元件。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，本发明实施例中方向性指示(诸如上、下、左、右……)仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
请参阅图1，本发明实施例1提供一种MEMS流量传感器的制作方法，包括如下步骤：
S1、提供一衬底，于衬底上形成牺牲层，并在牺牲层上刻蚀出窗口；
S2、通过牺牲层上的窗口对衬底进行各向同性腐蚀，以在衬底上形成具有圆弧形截面的内腔，随后去除牺牲层；
S3、衬底及内腔的上表面形成支撑层，并在支撑层表面形成具有预设图形的第一导电层，至少部分第一导电层形成在内腔的上方；
S4、形成至少覆盖第一导电层的第一绝缘层，并在第一绝缘层上刻蚀出窗口，暴露部分第一导电层；
S5、于第一绝缘层上形成具有预设图形的第二导电层，部分第二导电层通过第一绝缘层上的窗口与第一导电层实现电学连接；
S6、形成至少覆盖第一导电层和第二导电层的第二绝缘层，并在第二绝缘层上刻蚀出窗口，暴露部分第二导电层；
S7、在衬底上形成隔热腔体，完成流量传感器的制作。
下面结合图2a-2h进一步详细说明上述制作方法：
首先，如图2a所示，执行步骤S1，提供一衬底10，于衬底10上形成牺牲层01，并在牺牲层01上刻蚀出第一窗口02；
具体地，衬底10的材质优选为硅衬底；牺牲层01的材质为氧化硅、氮化硅或二者的复合膜层，优选为氧化硅，通过热氧化、LPCVD或PECVD工艺形成；作为一种优选方案，第一窗口02通过干法刻蚀工艺形成。
其次，如图2b所示，执行步骤S2，通过第一窗口02对衬底10进行各向同性腐蚀，以在衬底10上形成内腔11，随后去除牺牲层01；
具体地，内腔11的截面形状为圆弧形，通过XeF2气体、HNA溶液或其它各向同性腐蚀液/气体对衬底10进行腐蚀形成；牺牲层01通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法去除。在本实施例中，内腔11形成在衬底10的左侧。
然后，如图2c所示，执行步骤S3，在衬底10及内腔11的上表面形成支撑层20，并在支撑层20上形成具有预设图形的第一导电层30，至少部分第一导电层30形成在内腔11的上方；
具体地，支撑层20的材质优选为氧化硅、氮化硅的复合膜层，其中，氧化硅通过热氧化、LPCVD或PECVD工艺形成，氮化硅通过LPCVD或PECVD工艺形成；第一导电层30的材质优选为掺杂多晶硅，通过LPCVD、离子注入、高温退火的工艺组合形成，或通过多晶硅原位掺杂工艺形成，随后通过干法刻蚀工艺形成预设图形。
接下来，如图2d所示，执行步骤S4，形成至少覆盖第一导电层30的第一绝缘层21，并在第一绝缘层21上刻蚀出第二窗口03，暴露部分第一导电层30；
具体地，第一绝缘层21的材质为氧化硅、氮化硅或二者的复合膜层，作为一种优选方案，第一绝缘层21通过PECVD工艺形成，第二窗口03通过干法刻蚀工艺形成。
接下来，如图2e-2f所示，执行步骤S5，于第一绝缘层21上形成具有预设图形的第二导电层31，部分第二导电层31通过第二窗口03与第一导电层30实现电性连接；
具体地，第二导电层31的材质为优选为金属，通过磁控溅射、干法刻蚀的工艺组合形成，或通过蒸镀、干法刻蚀的工艺组合形成，或通过Lift-off工艺形成。
需要说明的是，在传感器的左右两侧，第二导电层31与第一导电层30分别电性连接形成作为感温元件41的热电偶结构，用于实现对气体流动引起的温度变化进行检测，并转化为电信号；在传感器的中心区域，第一导电层30与第一导电层30电性连接形成加热元件40，用于接收外供电信号，产生焦耳热。
需要说明的是，第二导电层31与第一导电层30的材质还可为金属/金属(两种不同金属)、金属/掺杂多晶硅、掺杂多晶硅/金属、掺杂多晶硅/掺杂多晶硅(不同掺杂类型)等组合。第一导电层、第二导电层为不同材质。
需要说明的是，感温元件41除热电偶结构外，还可采用热敏电阻，热敏电阻为在支撑层上形成的具有预设图形的导电层，导电层的材质为掺杂多晶硅或金属。
接下来，如图2g所示，执行步骤S6，形成至少覆盖第一导电层30和第二导电层31的第二绝缘层22，并在第二绝缘层22上刻蚀出第三窗口04，暴露部分第二导电层31；
具体地，第二绝缘层22的材质为氧化硅、氮化硅或二者的复合膜层，作为一种优选方案，第二绝缘层22通过PECVD工艺形成，第三窗口04通过干法刻蚀工艺形成。
最后，如图2h所示，执行步骤S7，在衬底10上形成隔热腔体12，完成芯片的制作；
具体地，隔热腔体12优选为由衬底10的下表面向内凹入贯穿整个衬底10形成，通过各向异性湿法腐蚀、各向同性湿法腐蚀或干法刻蚀等工艺制作。若采用各向同性腐蚀或干法刻蚀的方法，则衬底的材质为硅片，不受晶面的限制；若采用各向异性腐蚀的方法，则衬底的材质仅限为(100)晶面的硅片。
需要说明的是，在形成隔热腔体12的过程中，需要先在衬底10的下表面形成具有预设窗口的掩膜层(未图示)，本领域人员可在上述制作方法的基础上轻易理解，在此不再赘述。
隔热腔体还可以采用正面工艺形成，即通过各向异性腐蚀或各向同性腐蚀的方法由衬底的上表面向内凹入一定深度形成；若采用各向同性腐蚀的方法，则衬底的材质为硅片，不受晶面的限制；若采用各向异性腐蚀的方法，则衬底的材质仅限为(100)晶面的硅片。
需要说明的是，形成隔热腔体12后，加热元件40及感温元件41的一端位于隔热腔体12的上方，感温元件41的另一端位于衬底10的上方。
本发明实施例1还提供一种流量传感器，如图2h所示，通过如上制作方法制作形成。流量传感器左侧的感温元件41的内端形成于内腔11的上方。
本发明实施例2还提供一种流量传感器，如图3所示，通过实施例1的制作方法轻易变化制作而成。流量传感器右侧的感温元件41的内端形成于内腔11的上方。
本发明实施例3还提供一种流量传感器，如图4所示，通过实施例1的制作方法轻易变化制作而成。流量传感器左、右侧的感温元件41的内端均形成于内腔11的上方。
本发明实施例4还提供一种流量传感器，如图5所示，通过实施例1的制作方法轻易变化制作而成。流量传感器加热元件40的至少中部形成于内腔11的上方。
本发明公开的MEMS流量传感器制作方法，工艺过程简单，与现行成熟的微加工工艺兼容，易于批量生产。采用该方法制作而成的流量传感器，不仅具有体积小、响应快、稳定性高等优点，还利用内腔结构，选择性地增大区域热阻，有利于减少该区域热量散失，提高整体热利用效率，可在不增大传感器尺寸或提高传感器功耗的前提下，有效提高其灵敏度。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种MEMS流量传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供一衬底，于所述衬底上形成牺牲层，并在所述牺牲层上刻蚀出窗口；
通过牺牲层上的窗口对所述衬底进行各向同性腐蚀，以在所述衬底上形成具有圆弧形截面的内腔，随后去除所述牺牲层；
于所述衬底及所述内腔的上表面形成支撑层，并在所述支撑层表面形成加热元件和感温元件，至少部分所述加热元件和所述感温元件形成在所述内腔的上方；
形成至少覆盖所述加热元件和感温元件的绝缘层，并在所述绝缘层上刻蚀出窗口；
在所述衬底上形成隔热腔体，所述内腔位于所述隔热腔体的上方。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS流量传感器的制作方法，其特征在于，所述内腔通过XeF2气体或HNA溶液对所述衬底进行腐蚀形成。
3.根据权利要求1所述的一种MEMS流量传感器的制作方法，其特征在于，所述牺牲层、所述绝缘层及所述窗口通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法形成。
4.根据权利要求1所述的一种MEMS流量传感器的制作方法，其特征在于，所述牺牲层、所述支撑层、所述绝缘层的材质为氧化硅、氮化硅或二者的复合膜层，其中，氧化硅通过热氧化、LPCVD或PECVD工艺形成，氮化硅通过LPCVD或PECVD工艺形成。
5.根据权利要求1所述的一种MEMS流量传感器的制作方法，其特征在于，所述隔热腔体采用背面工艺形成，即通过各向异性腐蚀、各向同性腐蚀或干法刻蚀的方法由所述衬底的下表面向内凹入贯穿整个衬底形成；若采用各向同性腐蚀或干法刻蚀的方法，则所述衬底的材质为硅片，不受晶面的限制；若采用各向异性腐蚀的方法，则所述衬底的材质仅限为(100)晶面的硅片。
6.根据权利要求1所述的一种MEMS流量传感器的制作方法，其特征在于，所述隔热腔体采用正面工艺形成，即通过各向异性腐蚀或各向同性腐蚀的方法由衬底的上表面向内凹入一定深度形成；若采用各向同性腐蚀的方法，则所述衬底的材质为硅片，不受晶面的限制；若采用各向异性腐蚀的方法，则所述衬底的材质仅限为(100)晶面的硅片。
7.根据权利要求1所述的一种MEMS流量传感器的制作方法，其特征在于，形成所述加热元件及感温元件的方法为：
在所述支撑层上形成具有预设图形的导电层；
或：
在所述支撑层上形成具有预设图形的第一导电层；
在所述第一导电层上形成第一绝缘层，并刻蚀出窗口；
在所述第一绝缘层上形成具有预设图形的第二导电层，部分所述第二导电层通过所述第一绝缘层上的窗口与所述第一导电层实现电学连接。
8.根据权利要求7所述的形成加热元件和感温元件的制作方法，其特征在于，所述导电层、所述第一导电层、所述第二导电层的材质为掺杂多晶硅或金属，但所述第一导电层、所述第二导电层为不同材质；其中，掺杂多晶硅通过LPCVD、离子注入、高温退火的工艺组合形成，或通过多晶硅原位掺杂工艺形成，金属通过磁控溅射、干法刻蚀的工艺组合形成，或通过蒸镀、干法刻蚀的工艺组合形成，或通过Lift-off工艺形成。
9.根据权利要求7所述的形成加热元件和感温元件的制作方法，其特征在于，所述第一绝缘层的材质为氧化硅、氮化硅或二者的复合膜层，其中，氧化硅通过热氧化、LPCVD或PECVD工艺形成，氮化硅通过LPCVD或PECVD工艺形成，所述第一绝缘层上的窗口通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法形成。
10.一种流量传感器，其特征在于，所述流量传感器通过如上任一项所述MEMS流量传感器的制作方法制作而成。
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2024
- 2024-02-01 CN CN202410141853.0A patent/CN117800283A/zh active Pending
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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