CN1620402A - 以多孔硅封气孔技术或微通路技术的使用为基础的低功率硅热传感器和微射流装置 - Google Patents

以多孔硅封气孔技术或微通路技术的使用为基础的低功率硅热传感器和微射流装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于两个系列的集成热电偶(6和7)的使用的、性能改进的、微型化的硅热流传感器，所述集成热电偶(6和7)位于一个加热器(4)的两侧，它们都集成在一多孔硅薄膜(2)上，该多孔硅薄膜(2)位于一个孔(3)的顶部。其下有孔(3)的多孔硅薄膜(2)为所述传感器元件提供非常好的热隔离，这使得将所述加热器(4)保持在一个特定温度所需的功率非常低。其下有一个孔(3)的多孔硅薄膜(2)的形成过程是一个两步式单电化学过程，它以这样一个事实为基础，即阳极电流相对低时，我们处于多孔硅的形成状态，当此电流超过某个值时，我们就转到电抛光状态，所述过程以一低电流开始以形成多孔硅(2)，然后它被转到电抛光条件来形成位于其下的孔(3)。在此对采用所提出的方法的不同类型的热传感器装置，如流传感器，空气传感器，红外检测器，湿度传感器和热电功率发生器进行了描述。本发明还提供一种采用与形成多孔硅(17)和孔(16)相同的技术形成微射流通路(16)的方法。

Description

以多孔硅封气孔技术或微通路技术的使用为基础的低功率硅热传感器和微射流装置
技术领域
本发明涉及低功率硅热传感器和微射流装置，这些传感器和装置利用微机加工技术制造下面有一孔的多孔硅薄膜。热传感器所采用的结构是紧密型的(在一孔顶部的多孔硅薄膜)，在微射流装置中也采用同样的技术来打开在顶部有多孔硅薄膜的微通路。
技术背景
硅热流传感器以液体和装置中的热元件之间的热交换为基础，它们在相对较高的温度中保存，该较高温度可达100-180℃。在硅热气传感器中，这个温度有时得超过400℃。为了保持这个温度的稳定，加热器的电功率不得不补偿由于传导、对流和辐射而导致的热流失。由通过基片进行的传导而导致的流失能够达到最小，如果在其上装配装置的有源元件的这个基片是一下面有一孔的薄膜，而非块状晶体硅的话，(块状硅的热传导率：K＝145W/m.K，空气热传导率：K＝2.62×10-2W/m.K)。现已已开发出制造悬在块状硅的孔上的桥状薄膜的不同方法。通过利用块状硅微机加工技术，A.G.Nassiopoulou and G.KALTSAS公司(专利N&APOS；OBI 1003010，专利N&APOS；PCT/GR/00040，由世界知识产权组织于1998年11月12日公布)和G.Kaltsas andA.G.Nassiopoulou公司(Mat.Res.Soc.Symp.Proc.Vol.459(1997)249，《微电子工程》第35(1997)397期)制造出了悬式多晶或单晶硅薄膜，仅使用了前侧光学平版印刷和局部形成于块状晶体硅之上的多孔硅，该多孔硅然后被移去以在该薄膜下形成一孔。Dusko et al.公司利用类似的技术制造出了悬式氮化硅薄膜(《传感器和驱动器》A，第60卷，1997年第235期)。
G.KALTSAS and A.G.Nassiopoulou公司制造出了气流传感器(《传感器和驱动器》A，1999年第76期，第133至138页)，C.Ducso，M.Adam，E.Vazsonyi，I.Szaboand I.Barsony公司制造出了空气传感器(《欧洲传感器》第11期，波兰华沙，1997年9月21至24日)。不过，上述技术中存在着一个重要的缺点，这个缺点与结构的脆弱性有关，它使得薄膜形成之后的任何处理变得困难起来。一种替代方法已由A.G.Nassiopoulou and G.KALTSAS公司(希腊专利No 1003010)和G.KALTSAS和and A.G.Nassiopoulou公司(《采用多孔硅技术的前侧块状硅微机加工》，《传感器和驱动器》A，1998年第65期，第175至179页)提出并使用。该方法将稍微氧化的多孔硅用作块状硅上的局部热隔离材料。这种方法非常有利于结构的机械稳定性和与之后的硅处理的兼容性。这种方法已被G.KALTSAS and A.G.Nassiopoulou公司成功地用来制造硅热气流传感器(《传感器和驱动器》76，1999年第133期，Phys.Stat.Sol.(a)182(2000)307)。
在本专利中，我们提出一种通过将采用一个孔(比较好是热隔离的)的优点和一种刚性结构的优点结合起来以改进上述技术的方法。所提出的刚性结构包括一个用多孔硅封闭的孔并采用电化学一次性工艺步骤制造。尽管电化学已被成功地用于制造能够分别应用于驱动器和MITAS领域的非平面独立多孔硅结构(G.Lammel，Ph.RENAUD，《独立移动三维多孔硅微结构》，《传感器和驱动器》A，2000年第85期，第356页)和内埋多层式多通路(R.Willem Tjerkstra，Johannes独特G.E.Gardeniers，John J.KELLY AND ALBERT VAN DEN BERG.《多层式微通路：用于FTAS的独立多孔硅薄膜》，《微电子机械系统》杂志，2000年第4期第9卷，第495页)，但是本独特技术是唯一提供紧密型结构的技术，该结构包括一个位于块状晶体硅的一个孔的顶部的平面多孔硅薄膜。多孔硅薄膜完全平行于晶体硅的表面，孔位于其下面。本技术可用来为低功率硅热传感器或开放式微通路的生成提供限于局部的热隔离区域，开放式微通路在其顶部有一多孔硅薄膜以生成微射流装置。
所提供的热隔离优于下面没有孔的多孔硅厚膜的情况。
发明内容
以在其上生成传感器的有源元件的封闭的孔的使用为基础，提供一种具有改进的热隔离的硅热传感器的制造方法，是本发明的目的之一。封闭的孔采用两步式电化学方法制造在块状硅上，第一步是通过电化学溶解使多孔硅局部地形成于块状硅上，该溶解的阳极化电流低于对电抛光的限制；第二步是增加电流以将该过程变成电抛光来制造位于多孔层之下的孔。基于上述结构的硅热传感器结合了由悬式薄膜所提供的良好隔离性能和刚性结构的优势。在希腊专利No.OBI 1003010中，也提出了一种刚性和机械性稳定的结构，该结构基于局部形成于块状硅上以提供局部热隔离的多孔硅之上。
本方法是上述方法的改进，因为它既提供了由平面结构所带来的机械稳定性也提供了由位于多孔层之下的孔所带来的较好的热隔离。电抛光电流密度的临界值(Jps)取决于所使用的电化学溶液以及硅基片的电阻率和类型。多孔层的厚度和孔的深度通过调节电流密度和所使用的具体的溶液的阳极化时间来调整。孔的底面和侧壁的光滑度也取决于所使用的电化学溶液。图L对上述结构进行了图式化描述，其中(1)为硅基片，(2)为位于孔(3)顶部的多孔硅层。
本发明的另一个目的是提供一种基于上述方法的热流传感器。该传感器在图2中显示。传感器包括一个硅基片(1)，在此硅基片上局部地形成一个多孔硅薄膜(2)，该多孔硅薄膜(2)下面有一孔(3)，多孔硅薄膜(2)的形成是通过硅电化学溶解在HF下进行的：在适当的沉积和掩蔽层的成形之后的乙醇溶液。依赖于多孔层的厚度和孔的深度，多孔硅的形成的掩蔽既可以是保护层也可以是氮化硅或由S102和多晶硅所组成的双层。在电化学过程之前在硅基片的后侧上已产生一个欧姆接触(13)。
传感器的有源元件包括一个加热器(4)和两个位于该加热器两侧的热电堆(6和7)。每个热电堆内的热电偶数量取决于装置所需的灵敏度。热电偶(5)的热接触位于多孔硅上，冷接触(10)位于块状晶体硅基片(1)上。要求的互连(11)和金属垫(12)通过铝沉积和成形来形成。一个钝化层也可以在热流传感器的顶部沉积，该钝化层由一绝缘层组成，如氧化硅或氮化硅或聚酰亚胺。一个电绝缘层(14)沉积在硅基片(1)上以保证传感器元件和基片之间的电绝缘。热电偶材料是n型多晶硅/Al或n型/p型多晶硅。采用第一种材料会将装置的操作温度限制在大约400℃，而采用第二种材料时，允许的操作温度可达900℃。加热器由p型多晶硅组成，通过使用一个外接电路使该加热器保持在一个恒定的功率或恒定的温度，如果温度变化的时候该外接电路会通过提供一个电流反馈来稳定该功率或温度。装置也能够在加热器上以恒定电流操作，但在高流情况下使用恒定功率更好。当然，电阻器在低流时会被气流很快冷却下来，这样会引起其电阻的轻微变化，而这个变化会给在高流的热电堆带来很大的影响。如果电阻变化由电流中的稍微变化来补偿，那么影响能够达到最小，电流中的稍微变化能够使加热器的功率消耗或温度保持恒定。
本发明的另一个目的是提出将加热电阻器既可用作加热器也可用作温度传感元件。
作为选择，加热器的两侧可结合有两个电阻器用于温度传感。在上述两种情况中，电源和读出电子学与加热器两侧的两个热电堆的情况是不同的。
与和基片接触的单层多孔硅层的使用相比，由下面带有孔的多孔硅所形成的热隔离使装置具有降低功率消耗和增加灵敏度的优点。由MICROPROSM利用MEMCAD V.4.8包进行的模拟显示改进取决于多孔层的厚度和气孔的深度。图3显示了多孔层的厚度对加热器的温度的影响，该加热器的孔为20μm热通量为8.57×106W/M2，应用于530《AM长的多晶硅加热器上，其宽度为20μm，厚度为0.5LLM。这相当于提供的71mW的功率。为了便于比较，在该图中还显示了一种紧凑型结构(用星号标注)的效果，这种紧凑型结构中没有孔，但加入一个40μm厚的多孔层。图4显示了5μm厚的多孔薄膜和其下面的孔的厚度可变的加热器的温度。图5显示了40μm厚的紧凑型多孔硅结构与位于20μm的孔上的20LLM多孔硅薄膜结构的隔离的比较，加热器位于薄膜的中间。
本发明的另一个目的是提供一种技术，该技术的基础是利用多孔硅/孔技术来形成位于装置的有源元件之下的微通路，该微通路可用作流通路，开在其两个端点上。这种装置在图6中显示。它由一个硅基片(15)组成，在此硅基片上形成一个微射流通路(16)，该微射流通路由一个多孔硅层(17)所封闭。微射流通路有两个开口，作为流体的入口(18)和出口(19)。一个薄的二氧化硅层(25)沉积在通路顶部用于电绝缘。热流装置的有源元件包括一个多晶硅加热器(20)和两个位于加热器两侧上的多晶硅电阻器(21和22)。装置用于测量进入微通路的微流。加热器被保持在一定的温度且流测量以感测温差为基础，温差由的两个多晶硅电阻器(21和22)之间的流所导致，这两个多晶硅电阻器(21和22)位于加热器(20)的左侧和右侧，该加热器(20)位于流的上流和下流。加热器和电阻器由铝互连(24)连接到铝垫(23)。一个钝化层也可以在热流传感器的顶部沉积，该钝化层由氧化硅或氮化硅或聚酰亚胺组成。本技术的主要优点是微射流可以形成和测量。本技术在液体流的情况下也提供重要的优点，因为该液体不会与装置的有源元件接触，因此也就无需复杂的钝化方案了。如果气流具有腐蚀性，它在气流测量上也有好处。
本发明的另一个目的是提供一种用于气体传感的热传感器装置，该装置以硅上的局部热隔离多孔硅/孔技术的使用为基础。
本发明的另一个目的是提供一种用于红外辐射的检测的硅热传感器装置，该装置以硅上的局部热隔离多孔硅/孔技术的使用为基础。
本发明的另一个目的是提供一种用于热电功率的产生的硅热装置，该装置以硅上的局部热隔离多孔硅/孔技术的使用为基础。
本发明的另一个目的是提供一种用于湿度检测的硅热装置，该装置以硅上的局部热隔离多孔硅/孔技术的使用为基础。
附图说明
图1是位于块状晶体硅中的孔上的多孔硅层的图式描述。
图2是利用多孔硅/孔技术的热传感器的简图。
图3显示了用于在一孔上的具有可变厚度的多孔硅所产生的热隔离的加热器的温度。
图4显示了用于在多孔硅层之下的具有可变深度的孔所产生的热隔离的加热器的温度。
图5显示了温度在用于由多孔硅和在一孔上的多孔硅所产生的热隔离的加热器周围的分布。
图6是下面具有一个微通路的流传感器的简图。
具体实施方式
图1是硅基片(1)的图式化描述，该基片具有一个位于一个孔(3)之上的多孔硅层(2)。整个结构用于块状硅上的局部热隔离。
图2是硅热气流传感器的图式化描述。基料为p型硅(1)，在p型硅(1)中形成多孔硅薄膜(2)和位于多孔硅薄膜(2)下面的孔(3)。
在多孔硅孔区的顶部形成有一个多晶硅电阻器(4)，在电阻器的两侧结合有两个系列的热电偶(6和7)。热电偶的热接触(5)位于多孔硅上，冷接触(10)位于块状多晶硅上。还有铝垫(12)，用作电接触。
图3显示了用于在一孔上的具有可变厚度的多孔硅所产生的热隔离的加热器的温度，用于该加热器的功率为8.57×106W/M2。
图4显示了用于在多孔硅层之下的具有可变深度的孔所产生的热隔离的加热器的温度。
图5显示了温度在用于由40μm厚的多孔硅和在一个20μm孔上的20μm厚的多孔硅薄膜所产生的热隔离的加热器周围的分布。
图6显示了一个以多孔硅/孔技术的使用为基础的微射流传感器。在(a)俯视图和(b)截面图中进行了显示，其中(15)为硅基片，(17)为多孔硅层，(16)为微射流通路，(18和19)为微射流通路的入口和出口，(20)为作用加热器的多晶硅电阻器，(21和22)为用作温度传感元件的多晶硅电阻器，(24)为铝互连，(23)为铝接触垫。

Claims (10)

1.用于在一硅基片(1)、(15)上形成封闭的或开放的微射流通路(3)、(16)的方法；多孔硅的掩蔽层与硅基片在同一平面上；所使用的方法是电化学溶解和硅的电抛光的结合，电化学溶解和硅的电抛光使用低于(用于多孔硅的形成)或高于(用于电抛光)临界值的一个电流密度；制造方法如下：在硅基片(1)、(15)的后侧上首先形成一个欧姆接触(26)，该欧姆接触用作硅的电化学溶解的阳极以使在硅上局部形成多孔硅层(2)、(17)，然后在硅基片的前侧沉积并形成有用于局部多孔硅的形成的掩蔽层；多孔硅层(2)、(17)用于封闭微射流通路(3)、(16)，该微射流通路采用一次性电化学步骤形成，该电化学步骤首先使用一个低于用于电抛光的临界值的电流密度，以使形成多孔硅，然后将该电流密度升高并高于用于电抛光的临界值，以使通过溶解硅来形成微射流通路。
2.如权利要求1所述的热流传感器制造方法，该方法由以下步骤组成：a)在硅基片(1)的后侧上产生一个欧姆接触(13)，b)在硅基片的前侧沉积并形成有用于多孔硅的形成的掩蔽层，c)利用块状硅的电化学溶解在硅基片上局部形成多孔硅(2)，在电化学方法中所使用的电流密度低于电抛光情况下所使用的电流密度值，d)在多孔硅层的下面的硅电化学溶解，使用电抛光条件，即电流密度高于临界值，以在悬式多孔硅薄膜(2)的下面形成一个孔(3)，e)沉积一个薄的电介质层用于电隔离(14)，f)多晶硅的沉积和形成，然后该多晶硅掺入p型掺杂剂，以形成一个加热器(4)，该加热器位于多孔硅薄膜和热电偶的一支(8)上，g)铝或n类掺杂的多晶硅的沉积和形成，以使形成热电偶的第二支(9)；如果热电偶的第二支用铝制成，在步骤g)中，我们也形成互连(11)和金属垫(12)；如果热电偶的第二支用n类多晶硅制成，那么就多加一个铝沉积和形成步骤，以形成金属垫和互连，h)在气流传感器上的钝化层的沉积，该钝化层由一绝缘层组成，可从氧化硅、氮化硅或聚酰亚胺或其它绝缘子中选择。
3.如权利要求1所述热微射流传感器的制造方法，该方法由以下步骤组成：a)产生一个由位于硅基片(15)上的多孔硅层(17)所封闭的微射流通路(16)，b)在整个硅基片的顶部沉积一个薄的氧化硅层(25)，用于电绝缘，c)多晶硅的沉积和形成，以形成一个加热器电阻器(20)和位于其左侧和右侧的两个另外的电阻器(21)、(22)，e)铝的沉积和形成，以形成电互连(24)和金属垫(23)，f)通过选择对顶部的二氧化硅层(25)和下面的硅层(15)的蚀刻打开微通路(16)的入口(18)和出口(19)，在流传感器的顶部沉积一个钝化层，该钝化层由氧化硅或氮化硅或聚酰亚胺组成。
4.用权利要求2所述的方法制造的热流传感器，该热流传感器由一个硅基片(1)组成，该硅基片具有一个多孔硅薄膜(2)，该多孔硅薄膜局部地制成在基片上并位于一个孔(3)的顶部；在薄膜的顶部结合有一个多晶硅电阻器(4)，该多晶硅电阻器用作加热器和两个系列的热电偶(6)、(7)的所谓的热接触(5)，每个系列的热电偶由p型多晶硅(8)和铝(9)金属线或p型/n型多晶硅线组成；每个热电偶的第二接触，称为冷接触(10)，位于块状晶体硅上，该块状晶体硅位于硅基片(1)上，该硅基片位于多孔硅薄膜(2)的区域之外；硅基片(1)上还有互连(11)和铝垫(12)，该硅基片位于多孔硅薄膜(2)的区域之外；在硅基片(1)的后侧有一个欧姆接触(13)；在热流传感器的顶部可沉积一个钝化层，该钝化层由一绝缘层组成，如氧化硅或氮化硅或聚酰亚胺；在硅基片(1)的顶部沉积有一个电隔离层，以保证传感器元件和基片之间的电隔离；热流传感器用作不同传感系统中的有源装置，如用于气流传感、液体传感和流转换等。
5.用权利要求3所述的方法制造的热微射流传感器，该微射流传感器由一个硅基片(15)组成，在该硅基片上形成一个由多孔硅层(17)所封闭的微射流通路(16)；微射流通路有两个开口，用作流体的入口(18)和出口(19)；在被封闭的微射流通路的顶部有一个多晶硅加热器(20)和两个位于加热器两侧的电阻器(21)、(22)；加热器和电阻器通过铝互连(24)连接到铝垫(23)；在气流传感器的顶部沉积有一个钝化层，该钝化层由氧化硅或氮化硅或聚酰亚胺组成；热流装置用来测量进入微通路的微流；这种微流热传感器的操作可描述如下：加热器被设定在某一温度；当给定的流体出现时，位于加热器(20)的左侧和右侧，即流体的上流和下流的两个多晶硅电阻器(21)、(22)之间产生一个温差，这个温差与正在确定中的流体成正比。
6.如权利要求4所述的硅热流传感器在气体传感中的使用，当具有不同热传导率的气体与热流传感器进行热交换时，在每个热电堆的输出产生一个不同信号，这种效果用于区别气流中的不同气体。
7.如权利要求4所述的硅热流传感器在热转换器中的使用，传感器测量一个AC信号的真正r.m.s.值，而不管其波形，这种测量通过对AC信号和一个参考DC信号的比较来进行，该DC信号在提供给位于上述多孔硅薄膜上的加热器时产生相同的热效果。
8.如权利要求4所述的硅热流传感器用作红外(IR)辐射检测器，红外辐射导致传感器上的局部温度升高，该局部温度升高被测作热电堆输出处的压差；输出电压取决于红外(IR)辐射的强度。
9.如权利要求4所述的硅热流传感器用作热电功率发生器，热功率可由与传感器接触的人体皮肤提供，以产生从皮肤到传感器的热流，所主张的这种热电功率发生器的操作可描述如下：当有一个外部热提供给功率发生器时，在每个热电偶的输出处产生一个温差，这些信号合计起来给输出电压以热电功率发生器，因为热电偶是串联的。
10.如权利要求4所述的硅热流传感器用作热电红外发生器，红外辐射导致传感器上的局部温度升高，该局部温度升高被转变为传感器输出处的电功率，输出功率是输入红外辐射的强度的一个函数。
CNA038026139A 2002-01-24 2003-01-16 以多孔硅封气孔技术或微通路技术的使用为基础的低功率硅热传感器和微射流装置 Pending CN1620402A (zh)

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