CN1908603A - 采用微机械加工热隔离结构的热式传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明的微机械加工的热隔离结构包括：硅片，硅片内的平底空腔，空腔上方的多孔单晶硅层，多孔单晶硅层表面的二氧化硅薄膜，以及多孔单晶硅层侧面和底部的无孔单晶硅层。多孔单晶硅层包括中心的矩形部分和边缘的伸出部分，伸出部分的一端固定于围绕空腔的硅片表层，另一端连接矩形部分，使其处于与硅片表面平行的悬挂状态。本发明利用上述热隔离结构制造红外温度传感器，可燃气体传感器，氧化和还原气体传感器，以及热式流量传感器。这些传感器具有灵敏度高，反应快，抗振动能力强，性能稳定，以及制造成本低等优点。

Description

采用微机械加工热隔离结构的热式传感器及其制造方法

                          技术领域

本发明是关于采用热隔离结构的热式传感器及其制造方法，特别是关于采用微机械加工热隔离结构的热式传感器及其制造方法，包括采用微机械加工热隔离结构的热式流量传感器，采用微机械加工热隔离结构的热式红外温度传感器，采用微机械加工热隔离结构的热式可燃气体传感器，以及采用微机械加工热隔离结构的热式氧化和还原气体传感器。

                          背景技术

热式传感器广泛地用于国防、航空、航天、生物医学、制造业、交通、通信、农业、环保以及家庭。随着四个现代化的不断加强，对这类传感器提出更多的要求，因此，微机械加工的热式传感器应运而生，其带来的好处是：微型化、集成化与便携化、成数量级地提高器件与系统的功能密度、信息密度与互连密度，大幅度地节能、节材。

热式流量传感器的运行基于在微小的空间建立热区和泠区，由于流体从热区流向泠区，使两区之间温差发生变化，根据热偶堆测出的温差变化值，从而推导出流体的速度。为了节省建立热区所消耗的电功率，并且改善测量的精度，要求用微机械加工的热隔离结构支持热区，以减少热能通过支持结构的热传导所产生的损耗。

热式红外温度传感器的工作原理是，凡是有温度显示的物体都会产生黑体辐射，而黑体辐射由固体材料吸收后会在其内产生热能，通过对吸收固体的温度测量，就可确定辐射物体的温度。显然，温度测量的灵敏度在很大程度上取决于热能的收集和保存，为尽力降低热传导引起的热能散失，应该将红外辐射吸收固体置于微机械加工热隔离结构之上，让比较多的热能用于提升温度。

量热式可燃气体传感器利用可燃气体如甲烷的催化燃烧反应，使燃烧反应在远低于正常燃烧温度下进行，通过测量催化燃烧反应产生的温度提升变化，可以计算出空气中可燃气体的浓度，这显然需要配置微机械加工热隔离结构，以提高检测灵敏度。另外，燃烧反应又都是在300至450℃高温条件内发生的，需要提供电功率建立所需的温度，为此微机械加工热隔离结构也是降低电功率消耗所必需的。

气敏金属氧化物半导体传感器都要求升温运行。某些金属氧化物半导体材料，如二氧化锡等在加热到200至400℃时，其表面先是吸附空气中的氧，然后由空气中还原性气体如一氧化碳和氢气等所还原，从而使其电导率增加，或者由氧化性气体如二氧化氮等所氧化，使得其电导率下降，通过测量金属氧化物半导体材料电导率的改变，就可以确定空气中还原性气体或氧化性气体的浓度。如用微机械加工热隔离结构支持金属氧化物薄膜，就可以大幅度降低加热功率消耗。

微机械加工热隔离结构通常有两种形式，一种是封闭的薄膜，即薄膜的周边由衬底支持，薄膜下的空腔是封闭的，另一种是由两条或四条连接衬底表层的梁支持的薄膜，薄膜下的空腔是通过两梁之间的开口与外部连通，后面这种形式的热隔离结构称为悬挂薄膜结构。

不管是封闭薄膜还是悬挂薄膜，其中心部位的热源通过薄膜向衬底传输热能都与薄膜材料的热导率成正比。因此，为降低这种传导产生的热能损失，必须采用尽可能低的热导率材料。现在通常用来形成隔热薄膜的材料为二氧化硅，四氮化三硅，以及未氧化的多孔单晶硅，其热导率分别为1.4瓦/mk，22瓦/mk，低达0.025瓦/mk。从热导率考虑，很显然，未氧化的多孔单晶硅应该是最佳选择，其次是二氧化硅，而最差的是四氮化三硅。

机械的可靠性和稳定性是微机械加工热隔离结构面临的严重挑战，不管是用什么材料形成的薄膜，都必需有足够的机械强度。首先要能够经受制造过程出现的机械冲击，避免由此产生损失而降低产品的成品率。其次要能经受使用考验，特别是使用时隔离结构必须与周围环境接触的器件，如可燃气体传感器，氧化还原性气体传感器，以及流量传感器等，要能抵抗住环境气氛造成的物理和化学的损坏作用。二氧化硅薄膜和四氮化三硅薄膜的厚度都受到沉积技术的限制，主要是沉积产生的残余应力的作用，使得薄膜的厚度不能太大，否则就会产生破裂或弯曲。如果采用低压化学气相沉积技术，二氧化硅中的残余应力一般在+100至+200MPa范围内，其安全厚度限制为2微米，超过这个限制，薄膜就会破裂，四氮化三硅中的残余应力高达-1GPa，其厚度限制为3000至4000埃，超过这个限制薄膜就会弯曲。如果制造的器件要求薄膜的横向尺寸为几百到上千微米，上述厚度限制不仅使得器件的制造变得非常困难，而且对器件运行环境也提出苛刻的要求。相比二氧化硅和四氮化三硅，多孔单晶硅就显得好多了。多孔单晶硅是单晶硅经阳极氧化形成的，其形成造成的残余应力低达+10MPa，并且可以通过退火处理使残余应力进一步降至+1MPa以下，因而其厚度高达上百微米厚的薄膜也不会出现破裂和严重的弯曲。由于多孔单晶硅层既有足够低的热传导损失，又有足够高的机械强度，用于形成热隔离的薄膜结构应是首选材料。

微机械加工热隔离结构都要求在比较高的温度下工作，必须承受持续进行的温度循环过程中产生的热胀泠缩考验，即薄膜不会由此因产生而发生破裂。为减小热胀泠缩的影响，要求薄膜材料和硅衬底材料具有尽可能接近的热胀系数。无孔单晶硅的热涨系数为2.5×10^-6/k，二氧化硅的热涨系数为0.5×10^-6/k，四氮化三硅的热涨系数为2.3×10^-6/k，多孔单晶硅的热涨系数为2×10^-6/k。可以看出，在热涨系数方面，与无孔单晶硅最接近的是四氮化三硅，其次是多孔单晶硅，最差的是二氧化硅。

微机械加工热隔离结构的热响应时间与结构材料的热容成正比，为了提高热响应时间通常倾向采用热容低的材料。，二氧化硅的热容为1.61×10⁶J/m³k，四氮化三硅的热容为1.86-2.48×10⁶J/m³k，多孔单晶硅的热容为0.4×10⁶J/m³k。可见同样体积的热隔离结构，采用多孔单晶硅，其热响应时间最短，或热反应速度最快。换句话说，如果要求具有相同的反应速度，如用多孔单晶硅为材料，其薄膜的厚度可以允许比四氮化三硅或二氧化硅大四倍以上。

当然，多孔单晶硅也存在急待解决的问题，即多孔单晶硅的表面积高达200-300m²/m³，因而其表面能高和表面化学活性强。高表面能的作用，容易在比较高的工作温度下引起结构氧化和粗化，使薄膜中的热应力增加，机械稳定性变差。表面化学活性强的副作用，是在暴露环境气氛中增加对各种气体的吸附，并且在解吸过程中气体须从孔隙中扩散出来，因而在作气体传感器应用时，灵敏度降低，反应时间延长，选择性变差，有时甚至使器件无法工作。

                          发明内容

本发明的总体目标是提供一种微机械加工的热隔离结构，该结构具有热阻大，反应快，机械强度高，性能稳定，以及制造成本低等优点，并且将此结构用于制造性能优异的红外温度传感器，可燃气体传感器，氧化和还原气体传感器，以及热式流量传感器。

本发明的具体目标之一是提供一种采用微机械加工热隔离结构的红外温度传感器，该热隔离结构的优异热学性能和机械性能而使传感器具有高灵敏度，快反应速度，强抗振能力，高可靠性，以及低制造成本等优点。

本发明的具体目标之二是提供一种采用微机械加工热隔离结构的可燃气体传感器，该热隔离结构的优异热学性能和机械性能而使传感器具有高灵敏度，快反应速度，强抗振能力，高可靠性，以及低制造成本等优点。

本发明的具体目标之三是提供一种采用微机械加工热隔离结构的氧化和还原气体传感器，该热隔离结构的优异热学性能和机械性能而使传感器具有高灵敏度，快反应速度，强抗振能力，高可靠性，以及低制造成本等优点。

本发明的具体目标之四是提供一种采用微机械加工热隔离结构的热式流量传感器，该热隔离结构的优异热学性能和机械性能而使传感器具有高灵敏度，快反应速度，强抗振能力，高可靠性，以及低制造成本等优点。

为了实现上述目标以及其它目标，本发明提出一种基于多孔单晶硅的微机械加工的热隔离结构，该结构充分发挥多孔单晶硅的优点，而对其不利之处加以限制。并且利用这种热隔离结构制造性能优异的红外温度传感器，可燃气体传感器，氧化和还原气体传感器，以及热式流量传感器。

本发明的热隔离结构的组成包括：硅片，处于硅片内的平底空腔，连接于硅片表层并处于空腔上方的多孔单晶硅层，覆盖多孔单晶硅层表面的二氧化硅薄膜，以及覆盖多孔单晶硅层侧面和底部的无孔单晶硅层。多孔单晶硅层为排笔写成的十字形，十字分成中心的矩形部分和边缘的伸出部分，伸出部分对称分布，每条伸出部分的一端固定于围绕空腔的硅片表层，另一端拉接矩形部分。无孔单晶硅层用于从侧面和底部封闭多孔单晶硅层，阻止其与侧面和底部的环境气氛直接接触。二氧化硅薄膜用于从正面封闭多孔单晶硅层，阻止其与正面的环境气氛直接接触。

本发明的红外温度传感器组成为：硅片，处于硅片内的平底空腔，连接于硅片表层并处于空腔上方的多孔单晶硅层，覆盖多孔单晶硅层侧面和底部表面的无孔单晶硅层，覆盖多孔单晶硅层正面的二氧化硅薄膜。多孔单晶硅层为排笔写成的十字形，十字分成中心的矩形部分和边缘的伸出部分，伸出部分对称分布，每条伸出部分的一端固定于围绕空腔的硅片表层，另一端拉接矩形部分。无孔单晶硅层用于从侧面和底部封闭多孔单晶硅层，阻止其与侧面和底部的环境气氛直接接触。二氧化硅薄膜用于从正面封闭多孔单晶硅层，阻止其与正面的环境气氛直接接触。还有处于二氧化硅薄膜上部表面中心部位的黑体红外吸收薄膜，以及处于黑体红外吸收薄膜两侧的热偶堆。

本发明的可燃气体传感器组成有：硅片，处于硅片内的平底空腔，连接于硅片表层并处于空腔上方的多孔单晶硅层，覆盖多孔单晶硅层侧面和底部表面的无孔单晶硅层，覆盖多孔单晶硅层正面的二氧化硅薄膜。多孔单晶硅层为排笔写成的十字形，十字分成中心的矩形部分和边缘的伸出部分，伸出部分对称分布，每条伸出部分的一端固定于围绕空腔的硅片表层，另一端拉接矩形部分。无孔单晶硅层用于从侧面和底部封闭多孔单晶硅层，阻止其与侧面和底部的环境气氛直接接触。二氧化硅薄膜用于从正面封闭多孔单晶硅层，阻止其与正面的环境气氛直接接触。还有处于多孔单晶硅层矩形部分上部表面中心部位的加热电阻条，覆盖加热电阻条区域表面的二氧化硅薄膜，以及处于二氧化硅薄膜表面的燃烧反应催化金属薄膜。

本发明的氧化还原气体传感器组成部分：硅片，处于硅片内的平底空腔，连接于硅片表层并处于空腔上方的多孔单晶硅层，覆盖多孔单晶硅层侧面和底部表面的无孔单晶硅层，覆盖多孔单晶硅层正面的二氧化硅薄膜。多孔单晶硅层为排笔写成的十字形，十字分成中心的矩形部分和边缘的伸出部份，伸出部分对称分布，每条伸出部分的一端固定于围绕空腔的硅片表层，另一端拉接矩形部分。无孔单晶硅层用于从侧面和底部封闭多孔单晶硅层，阻止其与侧面和底部的环境气氛直接接触。二氧化硅薄膜用于从正面封闭多孔单晶硅层，阻止其与正面的环境气氛直接接触。还有处于多孔单晶硅层矩形部分上部表面中心部位的加热电阻条，覆盖加热电阻条区域表面的二氧化硅薄膜，处于二氧化硅薄膜表面的气敏金属氧化物电阻条，以及连接气敏金属氧化物电阻条的输出电极。

本发明的热式流量传感器构成涉及：硅片，处于硅片内的平底空腔，连接于硅片表层并处于空腔上方的多孔单晶硅层，覆盖多孔单晶硅层侧面和底部表面的无孔单晶硅层，覆盖多孔单晶硅层正面的二氧化硅薄膜。多孔单晶硅层为排笔写成的十字形，十字分成中心的矩形部分和边缘的伸出部分，伸出部分对称分布，每条伸出部分的一端固定于围绕空腔的硅片表层，另一端拉接矩形部分。无孔单晶硅层用于从侧面和底部封闭多孔单晶硅层，阻止其与侧面和底部的环境气氛直接接触。二氧化硅薄膜用于从正面封闭多孔单晶硅层，阻止其与正面的环境气氛直接接触。还有处于多孔单晶硅层矩形部份上部表面中心部位的加热电阻条，以及处于加热电阻条两侧区域表面的两组对称分布的热偶堆。

本发明用于形成热隔离结构的技术主要包括：在无孔单晶硅片中选择性形成多孔单晶硅层，并在有多孔单晶硅层的无孔单晶硅片表面进行无孔单晶硅层的外延生长。选择性形成多孔单晶硅层可以通过两种方法实现，一是用抗氟化氢的保护薄膜限定多孔单晶硅形成的范围，从而可以在无孔单晶硅衬底中形成多孔单晶硅层，二是利用无孔单晶硅形成多孔单晶硅依赖于外加阳极氧化电压的关系，从而可以控制阳极氧化电压值，仅将高掺杂的无孔单晶硅层转变成多孔单晶硅层，而低掺杂或未掺杂的无孔单晶硅层保持原来的形态不变。多孔单晶硅虽然充满10至1000埃直径的微孔，但从晶体结构看来，仍然属于单晶硅范围，因此可以用作单晶生长的子晶，只是为了改善单晶硅外延层的结晶质量，生长前要在高温下的氢气中进行热处理，以使多孔单晶硅层表面的众多的微孔开口收缩，从而形成致密的表面多孔单晶硅层。

为了腐蚀多孔单晶硅层，释放其上用来形成热隔离结构的多孔单晶硅层，要将多孔单晶硅层加以保护，不让其接触腐蚀溶液，这就是本发明之所以用低掺杂或未掺杂单晶硅层将其上的多孔单晶硅层与其下的多孔单晶硅层进行隔离的理由。

                          附图说明

图1是本发明提出的用于热式传感器的微机械加工的单晶硅热隔离结构部份元件分离的透视示意图。

图2是本发明利用图1所示的单晶硅热隔离结构制造的红外温度传感器部份元件分离的透视示意图。

图3是本发明利用图1所示的单晶硅热隔离结构制造的可燃气体传感器部份元件分离的透视示意图。

图4是本发明利用图1所示的单晶硅热隔离结构制造的氧化和还原气体传感器部分元件分离的透视示意图。

图5是本发明利用图1所示的单晶硅热隔离结构制造的热式流量传感器部分元件分离的透视示意图。

图6是本发明提出的用于热式传感器的微机械加工的单晶硅热隔离结构完成前步制造流程时的透视示意图。

图7是本发明提出的用于热式传感器的微机械加工的单晶硅热隔离结构完成后步制造流程时的透视示意图。

图8和图9是利用图6和图7所示的单晶硅热隔离结构进一步制造红外温度传感器的透视示意图。

图10和图11是利用图6和图7所示的单晶硅热隔离结构进一步制造可燃气体传感器的透视示意图。

图12和图13是利用图6和图7所示的单晶硅热隔离结构进一步制造氧化和还原气体传感器的透视示意图。

图14是利用图6和图7所示的单晶硅热隔离结构进一步制造热式流量传感器的透视示意图。

                        具体实施方式

本发明提出的微机械加工的单晶硅热隔离结构如图1所示，其组成为单晶硅片101，处于硅片101内，深度4至40微米的平底空腔102，连接于硅片表层并处于空腔上方，宽度300至1200微米，厚度2至20微米的多孔单晶硅层104，封闭多孔单晶硅层104侧面和底部表面，厚度0.1至2微米的无孔单晶硅层103，封闭多孔单晶硅层104上部表面，厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜105。多孔单晶硅层104的形状像是用排笔写成的十字，其组成包括中心100至400微米宽的矩形部分和边缘100至400微米长的伸出部分。伸出部分对称分布，每条伸出部分的一端连接空腔102周围硅片表层，另一端连接矩形部分，通过伸出部分的横向拉力作用，维持矩形部分处于与硅片表面平行的悬挂状态。每条伸出部分的两侧各有一个开口106，开口穿过二氧化硅薄膜105，直通多孔单晶硅层104下方的平底空腔102。开口106的两相邻侧壁由平底空腔102周围的部分硅片形成，其它两侧壁由伸出部分的侧面形成。

图1所示的单晶硅热隔离结构主要用于热式传感器。该结构的纵向热传导被充满气体或抽成真空的空腔所阻隔，而能进行横向热传导的薄膜，一则由于薄，二则由于热导系数低，其传导带走的热量很少。因此，如果需要加热薄膜使其温度上升，则所需要的功率可以明显降低，如果需要检测发生在薄膜上的物理或化学过程的热效应，则所能检测到的信号显著增强。

本发明利用微机械加工的单晶硅热隔离结构制造的红外温度传感器如图2所示，其组成为单晶硅片201，处于硅片201内，宽度300至1200微米，深度4至40微米的平底空腔202，连接于硅片表层并处于空腔上方，厚度2至20微米的多孔单晶硅层204，覆盖多孔单晶硅层结构侧面和底部，厚度0.1至2微米的无孔单晶硅层203，以及封闭多孔单晶硅层204上部表面，厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜205。多孔单晶硅层204的形状像是用排笔写成的十字，其组成包括中心100至400微米宽的矩形部分，和边缘100至400微米长对称分布的伸出部分。伸出部分的外端与平底空腔202周围硅片表层相连，而其内端连接矩形部分，通过伸出部分的横向拉力的作用，使矩形部分处于与硅片201表面成平行的悬挂状态。伸出部分的两边各有一个通至空腔202的开口210，开口210的两相邻侧壁由空腔202周围的部分硅片形成，其它两侧壁由伸出部分的侧面形成。传感器组成还包括处于多孔单晶硅层204矩形部分边缘上部表面及伸出部分上部表面的热偶堆206，覆盖矩形部分的二氧化硅薄膜211，覆盖二氧化硅薄膜211表面的红外吸收薄膜212，以及处于空腔202周围硅片表面一侧的测温电阻条208。形成红外吸收薄膜212所用的材料为黑金或黑碳等孔状固体材料，厚度在2000至8000埃范围内。热偶堆206含40至80对热偶，其热结处于多孔单晶硅层204的中心矩形部分边缘上部表面，泠结处于空腔202周围硅片表面，连接泠结输出的金属连线沿伸出部分表面布置。形成热偶堆206的两种材料分别为厚0.5微米掺杂多晶硅薄膜和厚0.5微米金属铝薄膜。在空腔202的周围硅片表面上还有连接测温电阻条208的金属焊接块209，连接热偶堆206的金属焊接块207。

图2所示的红外温度传感器的红外吸收薄膜212在吸收红外辐射后，转变成其晶格振动产生热能，使得多孔单晶硅层中心部位的温度上升，而处于其边缘的热偶堆的热结温度也随之上升，与泠结之间产生温差，因而热偶堆206有电压信号输出，这一电压信号与测温电阻条208测出的温度信号进行比较，以实现其温度补偿。温度补偿后的电压信号与吸收的红外辐射的强度成比例，而红外辐射的强度由辐射体本身的温度所决定，因此传感器可以用来测定红外辐射体的温度。

本发明利用微机械加工的单晶硅热隔离结构制造的可燃气体传感器如图3所示，其组成为单晶硅片301，处于硅片301内，深度4至40微米的平底空腔302，连接于硅片表层并处于空腔上方，宽度300至1200微米，厚度2至20微米的多孔单晶硅层304，覆盖多孔单晶硅层304侧面和底部，厚度0.1至2微米的无孔单晶硅层303，覆盖多孔单晶硅层304及空腔周围硅片表面，厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜305。多孔单晶硅层304为排笔写成的十字形，包括中心部位100至400微米宽的矩形部分，和边缘100至400微米长的四根对称分布的伸出部分。伸出部分的外端与平底空腔302周围的硅片表层相连，而其内端连接矩形部分，通过伸出部分的横向拉力的作用，使矩形部分处于与空腔302周围硅片表面平行的悬挂状态。伸出部分的两边各有一个抵达空腔302底部的开口314，开口的两相邻侧面由空腔302周围的部分硅片形成，其它两侧面由伸出部分的侧面形成。传感器组成还包括处于多孔单晶硅层304矩形部份上部表面的加热电阻条306，其电流输入金属线通过伸出部分连接到处于空腔302周围硅片表面的金属压焊块307。矩形部分边缘的上部表面布置有含40至80对热偶的热偶堆308的热结，热偶堆的引线通过伸出部分表面拉出，在空腔302周围的硅片表面形成泠结，热偶堆的输出连接到处于硅片表面的压焊块309。空腔302周围硅片的一侧还布置有测温电阻条310及其输出压焊块311。组成还有催化金属氧化物薄膜313，该薄膜覆盖整个多孔单晶硅层304矩形部分上部表面，其材料为一氧化钯或二氧化钍等金属氧化物，厚度在2000至8000埃范围内。氧化物薄膜313通过其下的二氧化硅薄膜312与加热电阻条306进行隔离。形成热偶堆308的两种材料分别为厚0.5微米掺杂多晶硅薄膜的和厚0.5微米金属铝薄膜。

图3所示的可燃气体传感器的催化金属氧化物薄膜313对可燃气体的燃烧反应有催化作用。可燃气体如是甲烷，其燃烧反应式为

           。

在没有催化金属氧化物薄膜的情况下面，其点火温度一般高达900至1000℃，如果燃烧反应是在催化金属氧化物薄膜表面进行，可以将点火温度降低到400至600℃。

燃烧反应可以通过控制加热电阻条306的加热电功率将矩形部分的温度提升到某一数值。因是放热反应，其产生的热量被矩形部分吸收，由于多孔单晶硅层304的隔热作用，大部分热量被保存在矩形部分，因而引起矩形部分的温度上升。矩形部分的升温数值与可燃气体在空气中的浓度有关，因此可以通过测量矩形部分升温数值确定空气中可燃气体的浓度。热偶堆308的热结处于矩形部分的边缘区域上部表面，其温度基本上可以代表矩形部分的实际温度，而热偶堆的泠结处于空腔302周围区域的硅片表面，由于硅片的良好导热性能，可以认为其温度不受发生在矩形部分上部表面的燃烧反应影响，而维持基本稳定的温度数值，因此热偶堆308的输出信号电压可以反映燃烧反应造成矩形部分相对硅片的温度升高的数值。

本发明利用微机械加工的单晶硅热隔离悬挂薄膜结构制造的氧化和还原气体传感器如图4所示，其组成为单晶硅片401，处于硅片401内，深度4至40微米的平底空腔402，连接于硅片表层并处于空腔上方，宽度300至1200微米，厚度2至20微米的多孔单晶硅层404，覆盖多孔单晶硅层404侧面和底部，厚度0.1至2微米的无孔单晶硅层403，覆盖多孔单晶硅层404及空腔周围硅片表面，厚度2000-8000埃的二氧化硅薄膜405，处于多孔单晶硅层上部表面中心部位的加热电阻条406，覆盖加热电阻条406区域上部表面的二氧化硅薄膜411，处于二氧化硅薄膜411表面的气敏半导体电阻薄膜412，以及处于多孔单晶硅层上部表面边缘区域，与气敏半导体电阻薄膜412连接的金属电极408，以及处于空腔402周围硅片表面，连接加热电阻条406的金属压焊块407和连接金属电极412的金属压焊块409。形状像是用排笔写成的十字形的多孔单晶硅层404包括中心100至400微米宽的矩形部分，和边缘100至400微米长的四条对称分布的伸出部分。伸出部分的外端与平底空腔402周围的硅片表层相连，而其内端连接矩形部分，通过伸出部分的横向拉力的作用，可以使矩形部分处于与空腔302周围的硅片表面平行的悬挂状态。伸出部分的两边各有一个通至空腔402的开口410，开口的两相邻侧壁由空腔402周围的部分硅片形成，其它两侧壁由伸出部分的侧面形成。形成气敏半导体电阻薄膜406的材料为二氧化锡或三氧化钨等类似气敏金属氧化物半导体，薄膜厚度控制在2000至8000埃范围内。

图4所示的氧化还原气体传感器的工作原理基于：当金属氧化物晶体如二氧化锡在空气中被加热到一定的高温时，空气中的氧气被吸附在带一个负电荷的晶体表面。然后，晶体表面的供与电子被转移到吸附的氧气上，结果在一个空间电荷层留下正电荷。这样，其表面势能形成一个势垒，从而阻碍电子流动。在传感器的内部，电流流过二氧化锡微晶的结合部位或晶粒边界时，在晶粒边界，吸附的氧形成一个势垒阻止载流子自由移动，传感器的电阻即起缘于这种势垒。还原性气体出现时，带有负电荷的氧的表面浓度降低，导致晶粒边界的势垒降低，使传感器的阻值减小。

本发明利用微机械加工的单晶硅热隔离结构制造的热式流量传感器如图5所示，其组成为单晶硅片501，处于硅片501内，深度4至40微米的平底空腔502，连接于硅片表层并处于空腔上方，宽度300至1200微米，厚度2至20微米的多孔单晶硅层504，覆盖多孔单晶硅层504侧面和底部，厚度0.1至2微米的无孔单晶硅层503，覆盖多孔单晶硅层504及空腔周围硅片表面，厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜505，处于上部表面中心部位的加热电阻条506，以及热结处于多孔单晶硅层上部表面边缘区域，两组含20至40对热偶，对称分布的热偶堆508和510。平底空腔502周围硅片表面布置有连接加热电阻条506的金属焊接块507，分别连接热偶堆508和510的金属焊接块509和511。形成加热电阻条506的材料为厚0.5微米掺杂多晶硅薄膜，形成热偶堆的两种材料分别为厚0.5微米掺杂多晶硅薄膜和厚0.5微米金属铝薄膜。形状像用排笔写成的十字的多孔单晶硅层504包括中心100至400微米宽的矩形部分，和边缘100至400微米长的四根对称分布的伸出部分。伸出部分的外端与平底空腔502周围硅片表层相连，而其内端连接矩形部分，通过伸出部分的横向拉力的作用，可以使矩形部分处于与空腔502周围区域的硅片表面平行的悬挂状态。伸出部分的两边各有一个抵达空腔512的开口，开口的两相邻侧壁由空腔502周围的部分硅片形成，其它两侧壁由伸出部分的侧面形成。

当图5所示的热式流量传感器工作时，两组对称分布的热偶堆508和510分别处于流体流动的上游和下游，加热电阻条506提供固定的电功率，而空腔502边缘的硅片表面维持一定的高温。如果流体静止不动，矩形部分上部表面的温度分布类似于高斯分布，即其中心处于温度最高点，而两边缘处于温度最低点，此时两组热偶堆的热结所处的温度应该是相等的。如果流体以一定的速度定向流动，由于流体流动的传热作用，矩形部分的温度分布会向下游方向移动，即两组热偶堆的热结所处的温度不再是相等的，而是上游处偏低，下游处偏高。此时两组热偶堆的输出电压会产生差值，其大小与流体的流速成比例，由此可以推导出流体的速度。

图6和图7概略表示本发明用来制造单晶硅热隔离结构的方法。图6所示的制造步骤包括：准备一块单面抛光的单晶硅片601，硅片的晶向不受限制，(100)，(110)，以(111)晶向的硅片都可以用，最好是(100)晶向的硅片。硅片的掺杂的类型可以是P型，也可以是N型，最好是P型，并且掺杂电阻率最好在0.1至0.001欧姆-厘米的范围内。在硅片的抛光面通过热氧化形成厚大约500埃的二氧化硅薄膜，接着通过低压化学气相沉积(LPCVD)形成厚大约2000埃的四氮化三硅薄膜。进行光刻腐蚀，在二氧化硅和四氮化三硅复合薄膜中形成窗口，以露出硅片表面。进行阳极氧化，在硅片中形成宽300至1200微米，厚4至40微米的多孔单晶硅层602，阳极氧化用的电解质为氢氟酸和无水乙醇混合溶液，40％氢氟酸和无水乙醇的组合比为1比1或2比1，阳极氧化用的电流密度控制在5至10mA/cm²范围内，使形成的多孔单晶硅的孔隙率保持在20至30％的范围内。

图7所示制造步骤包括：腐蚀掉硅片表面残留的二氧化硅和四氮化三硅复合薄膜，然后进行外延生长前的高温氢处理，处理温度1050至1100℃，处理气氛为氢气，处理时间为7至30分钟。在高温氢处理过程中，多孔单晶硅层602的表面能被大幅度降低，表面深度30至40埃深度范围内的硅原子得以重新成核和生长，导致于微孔直径缩小或孔口封闭，使得表面变得致密光亮，成为质量较好的外延生长子晶。进行外延生长，形成无孔单晶硅外延层605，生长温度1050至1100℃，生长硅源为三氯氢硅或二氯氢硅。外延分两步进行，第一步，不进行掺杂，形成厚0.2至2微米的未掺杂外延层，外延层的掺杂类型可以为P型，也可以为N型，最好是N型，载流子浓度控制在10¹⁶/cm³以下，第二步，进行掺杂，形成厚2至20微米厚的掺杂外延层。外延层的掺杂类型可以为P型，也可以为N型，最好是N型，载流子浓度控制在10¹⁸至10²⁰/cm³范围内。接着在外延层605上形成大约500埃厚的二氧化硅和2000埃厚的四氮化三硅复合薄膜，并通过光刻腐蚀形成阳极氧化窗口，其形状像是用100至400微米的排笔写成的十字，包括中心的矩形部分和边缘的伸出部分。然后进行阳极氧化将掺杂外延层转变成多孔单晶硅层604，而未掺杂外延层成为剩余的单晶硅外延层603。阳极氧化用的溶液为，1份40％氢氟酸和1份无水乙醇，阳极氧化用的电流密度维持在30至50mA/cm²范围内，形成的多孔单晶硅的孔隙率应该在60至70％范围内。控制阳极氧化电压低于5至6V，以保证阳极氧化自动停止在掺杂外延层和未掺杂外延层之间的界面。最后在外延层605表面，包括形成的多孔单晶硅层604表面，通过LPCVD沉积形成厚大约5000埃的二氧化硅薄膜606。需要指出的是，图6和图7所示的是尚未释放的单晶硅热隔离结构，即尚未形成悬挂的薄膜结构。要形成悬挂的薄膜结构，须将多孔单晶硅层602选择性地腐蚀掉，以形成空腔，而空腔上悬挂的结构即是最终所需要的单晶硅热隔离结构。这一步制程就是所谓的微机械加工，只是遵照“先平面加工，后微机械加工”的原则安排在传感器形成以后进行。如果让单晶硅热隔离结构提前释放，由于其机械强度脆弱，容易在器件制造过程中遭受损坏，使产品的成品率降低。

图8和图9概略描绘红外温度传感器的制造过程，图8为前步制程，图9为后步制程。如图8所示，首先形成尚未释放的单晶硅热隔离结构，该结构包括硅片701，宽300至1200微米，厚4至40微米的厚多孔单晶硅层703，厚2.2至22微米无孔外延单晶硅层702，厚2至20微米薄多孔单晶硅层705，厚0.2至2微米的减薄无孔外延单晶硅层704，以及厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜706。薄多孔外延单晶硅层705和减薄无孔外延单晶硅层704均为宽100至400微米的排笔写成的十字形，包括十字中心的矩形部分和边缘的伸出部分。然后通过薄膜沉积和光刻腐蚀形成40至80对热偶组成的热偶堆707和电阻条709，以及金属压焊块708和710。热偶堆707的热结处于十字矩形部分的上部表面边缘区域，而其泠结处于十字周围的硅区表面，其引线通过十字的伸出部分。热偶堆707的两种组成材料分别为电阻率为100至200欧姆-厘米，厚0.5微米掺杂多晶硅薄膜和厚0.5微米金属铝薄膜。电阻条709处于十字边缘一侧的硅区表面，组成材料为电阻率为100至200欧姆-厘米，厚0.5微米掺杂多晶硅薄膜。

参考图9，先通过薄膜沉积形成厚大约5000埃的二氧化硅薄膜711，并采用顶脱(Lift-Off)技术，在十字的矩形部分表面形成厚1000至3000埃的红外吸收薄膜712。这里所用的顶脱技术，不是用光刻胶作牺牲层，而是用金属铝作牺牲层，先通过电子束蒸发沉积铝薄膜，然后进行光刻腐蚀形成铝薄膜图形，再进行红外吸收薄膜的沉积，最后用不腐蚀红外吸收薄膜的铝腐蚀液(80％H₃PO₄+5％HNO₃+5％HAc+10％H₂O)腐蚀掉铝薄膜，就可形成与铝薄膜图形相反的红外吸收薄膜图形。红外吸收薄膜可以是黑金薄膜也可以是黑碳薄膜，黑金薄膜为多孔状结构，其孔隙率高达80％，在远红外波长范围内，其吸收率几乎是100％。黑金薄膜由电阻加热蒸发沉积，蒸发前，蒸发炉中的真空度要抽到3×10^-6托，然后充氮气使真空度降至5至6托，在此条件下，从钨丝蒸发出来的金原子聚集成团沉积到硅片表面。蒸发时，硅片温度维持在摄氏-20至0℃范围内，温度太高蒸发速率则难以控制。然后进行光刻腐蚀，先在十字伸出部分之间形成穿越二氧化硅薄膜和无孔单晶硅外延层的方形窗口713，接着用稀释的氢氧化钾溶液在室温下腐蚀掉十字下面的多孔单晶硅层703，使其成为由十字伸出部分支持的十字形悬挂结构，包括空腔714，多孔单晶硅层715，无孔单晶硅薄膜716。要说明的是，形成的方形窗口713的边界须与十字的边界保持0.2至2微米的距离，以保证伸出部分下部的多孔单晶硅层715的侧面免于因腐蚀而暴露出来。

图10和图11概略表示可燃气体传感器的制造过程。图10所示制造步骤包括，形成尚未释放的单晶硅热隔离结构，该结构包括硅片801，宽400至1200微米，厚4至40微米的厚多孔单晶硅层803，厚2.2至22微米无孔外延单晶硅层802，厚2至20微米薄多孔单晶硅层805，厚0.2至2微米的减薄无孔外延单晶硅层804，以及厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜806。薄多孔外延单晶硅层805和减薄无孔外延单晶硅层804均为宽100至400微米排笔写成的十字形，包括十字中心的矩形部分和十字边缘的伸出部分。然后通过薄膜沉积和光刻腐蚀在十字中心矩形部分的上部表面中心区域形成加热电阻条807，在加热电阻条807周围形成40至80对热偶组成的热偶堆809，和在十字周围一侧硅片表面形成测温电阻条811，以及金属压焊块808，810，和812。热偶堆809的热结处于十字矩形部份上部表面的边缘区域，而其泠结处于十字周围的硅片表面，其引线通过十字的伸出部分拉出。热偶堆809的构造材料采用电阻率为100至200欧姆-厘米，厚0.5微米掺杂多晶硅薄膜和厚0.5微米金属铝薄膜。加热电阻条807和测温电阻条811的构造材料采用电阻率为100至200欧姆-厘米，厚0.5微米掺杂多晶硅薄膜。

图11所示制造步骤包括，通过薄膜沉积和光刻腐蚀在十字的矩形部分的上部表面中心区域形成厚大约5000埃的二氧化硅薄膜813和厚500至2000埃的燃烧反应催化剂薄膜814，形成催化剂薄膜所用的形成材料为一氧化钯或二氧化钍等金属氧化物。一氧化钯薄膜的形成可分两步进行，先由电子束蒸发配合阴影掩模在十字的矩形部分表面形成金属钯薄膜，然后在700℃的高温的空气中退火1小时。接着，通过光刻腐蚀，在两十字伸出部分支间形成穿越二氧化硅层和无孔单晶硅外延层的方形窗口815，并用稀释的氢氧化钾溶液室温下腐蚀去除厚多孔单晶硅层803，使其成为由十字伸出部分支持的十字形悬挂结构，该结构包括空腔816，悬挂的薄多孔单晶硅层818，以及覆盖薄多孔单晶硅层818底部和侧面的无孔单晶硅薄膜817。要说明的是，形成的方形窗口815的边缘须与十字的边缘保持0.2至2微米的距离，以保证形成的伸出部分下部的薄多孔单晶硅层的侧面免于因腐蚀而暴露出来。

图12和图13概略表示氧化还原气体传感器的制造过程。图12所示制造步骤，主要为形成尚未释放的单晶硅热隔离结构，该结构包括硅片901，宽400至1200微米，厚4至40微米的厚多孔单晶硅层903，厚2.2至22微米无孔外延单晶硅层902，厚2至20微米薄多孔单晶硅层905，厚0.2至2微米的减薄无孔外延单晶硅层904，以及厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜906。薄多孔外延单晶硅层905和减薄无孔外延单晶硅层904均为宽100至400微米排笔写成的十字形，包括十字中心的矩形部分和十字边缘的伸出部分。然后通过薄膜沉积和光刻腐蚀在十字矩形部分的上部表面中心区域形成加热电阻条907，在加热电阻条907的边缘的两侧形成金属电极909，在十字边缘周围的硅片表面形成金属压焊块908和910。加热电阻条907的构造材料采用电阻率为100至200欧姆-厘米，厚0.5微米掺杂多晶硅薄膜。

图13所示制造步骤，主要在十字的矩形部分上部表面形成厚大约5000埃的二氧化硅薄膜911和厚大约500至2000埃气敏半导体薄膜912。形成气敏半导体薄膜的材料选用二氧化锡，也可用三氧化钨取代。二氧化锡薄膜通过溅射沉积形成，用纯金属锡为靶，在室温下操作，溅射炉中的气压设定为5托，气流设定为氧气6立方厘米/分钟，氩气6立方厘米/分钟。二氧化锡薄膜形成后，在400℃的空气气氛中退火处理2小时。顶脱技术所用的牺牲薄膜为厚0.5微米金属铝薄膜，由电子束蒸发沉积，通过光刻腐蚀形成图形，然后通过溅射沉积形成二氧化锡薄膜，用不腐蚀二氧化锡的稀释的氯化钠溶液在室温下腐蚀去除铝薄膜，即形成与铝薄膜图形相反的二氧化锡薄膜图形。接着在两十字伸出部分之间形成穿越二氧化硅薄膜和无孔单晶硅外延层的方形窗口913，并用稀释的氢氧化钾溶液室温下腐蚀去除厚多孔单晶硅层903，使其成为由十字伸出部分支持的十字形悬挂结构，该结构包括空腔914，悬挂的薄多孔单晶硅层916，以及覆盖薄多孔单晶硅层底部和侧面的无孔单晶硅薄膜915。要说明的是，形成的方形窗口913的边缘须与十字的边缘保持0.2至2微米的距离，以保证形成的伸出部分下部的薄多孔单晶硅层的侧面免于因腐蚀而暴露出来。

图14概略表示热式流量传感器的制造过程。该图显示出的制造步骤包括：形成尚未释放的单晶硅热隔离结构，该结构包括硅片1001，宽400至1200微米，厚4至40微米的厚多孔单晶硅层，厚2.2至22微米无孔外延单晶硅层1002，厚2至20微米薄多孔单晶硅层1013，厚0.2至2微米的减薄无孔外延单晶硅层1012，以及厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜1003。薄多孔单晶硅层1013和减薄无孔外延单晶硅层1012为宽100至400微米排笔写成的十字形，包括十字中心的矩形部分和十字边缘的伸出部分。然后通过薄膜沉积和光刻腐蚀在十字中心矩形部分的中心区域形成加热电阻条1004，在加热电阻条1004的两侧形成两组对称分布的热偶堆1006和1008。每组热偶堆包含20至40对由两种不同材料组成的热偶。热偶堆1006和1008的热结处于十字中心矩形部分上部表面的边缘区域，而其泠结处于十字周围的硅片表面，其引线跨过十字的伸出部分拉出。热偶堆1006和1008的构造材料采用电阻率为100至200欧姆-厘米，厚0.5微米掺杂多晶硅薄膜和厚0.5微米金属铝薄膜。加热电阻条1004的构造材料采用电阻率为100至200欧姆-厘米，厚0.5微米掺杂多晶硅薄膜。接着在十字周围的硅片表面形成金属压焊块1005，1007，和1009。随后进行光刻腐蚀，在两十字伸出部分之间形成穿越二氧化硅层和无孔外延单晶硅层的方形窗口1010，并用稀释的氢氧化钾溶液室温下腐蚀去除厚多孔单晶硅层，使其成为由十字伸出部分支持的十字形悬挂结构，该结构包括空腔1011，悬挂的薄多孔单晶硅层1013，以及覆盖薄多孔单晶硅层底部和侧面的无孔单晶硅薄膜1012。要说明的是，形成的方形窗口1011的边缘须与十字的边缘保持0.2至2微米的距离，以保证形成的伸出部分下部的薄多孔单晶硅层的侧面免于因腐蚀而暴露出来。

上面详细叙述了微机械加工的单晶硅热隔离传感器件的特征结构及制造方法，本领域内的技术人员可以在此基础上进行局部调整和修改，不难重复出本发明的结果，但这并不会超出本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1、一种用于热式传感器的微机械加工的单晶硅热隔离结构，其特征包括：

一块硅片；

处于硅片内，宽度300至1200微米，深度4至40微米的平底空腔；

连接于硅片表层并处于空腔上方，厚度2至20微米，像是用宽100至400微米的排笔写成的十字形的多孔单晶硅层，十字包括中心的矩形部分和边缘的伸出部分；

封闭多孔单晶硅层侧面和底部表面，厚度0.1至2微米的无孔单晶硅层；

封闭多孔单晶硅层上部表面，厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜；以及

四个对称分布，每个分别处于十字两条伸出部分之间，向下直通空腔，四壁覆盖有无孔单晶硅层的开口。

2、一种采用微机械加工单晶硅热隔离结构的红外温度传感器，其结构特征包括：

一块硅片；

处于硅片内，宽度300至1200微米，深度4至40微米的平底空腔；

连接于硅片表层并处于空腔上方，厚度2至20微米，像是用宽100至400微米的排笔写成的十字形的多孔单晶硅层，十字包括中心的矩形部分和边缘的伸出部分；

封闭多孔单晶硅层侧面和底部表面，厚度0.1至2微米的无孔单晶硅层；

封闭多孔单晶硅层上部表面，厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜；

从多孔单晶硅层矩形部分上部表面边缘开始，经伸出部分，延伸到围绕多孔单晶硅层，起支持作用的硅片表面上的热偶堆，该热偶堆含40至80对由厚0.5微米掺杂多晶硅薄膜和厚0.5微米金属铝薄膜形成的热偶；

覆盖多孔单晶硅层矩形部分上部表面，厚度5000埃的二氧化硅薄膜；

覆盖多孔单晶硅层矩形部分上部表面，由黒(多孔)金或黒(多孔)碳薄膜形成的红外吸收薄膜；以及

处于多孔单晶硅层周围硅片表面的测温电阻条。

3、一种采用微机械加工单晶硅热隔离结构的可燃气体传感器，其结构特征包括：

一块硅片；

处于硅片内，宽度300至1200微米，深度4至40微米的平底空腔；

连接于硅片表层并处于空腔上方，厚度2至20微米，像是用宽100至400微米的排笔写成的十字形的多孔单晶硅层，十字包括中心的矩形部分和边缘的伸出部分；

封闭多孔单晶硅层侧面和底部表面，厚度0.1至2微米的无孔单晶硅层；

封闭多孔单晶硅层上部表面，厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜；

处于多孔单晶硅层矩形部分上部表面的中心区域，由厚0.5微米掺杂多晶硅形成的加热电阻条；

从多孔单晶硅层矩形部分上部表面边缘开始，沿伸出部分，延伸到围绕多孔单晶硅层，起支持作用的硅片表面上的热偶堆，该热偶堆含40至80对由厚0.5微米的掺杂多晶硅和厚0.5微米的金属铝薄膜形成的热偶；

覆盖加热电阻条区域表面，厚度5000埃的二氧化硅薄膜；以及

处于二氧化硅薄膜表面，由一氧化钯或二氧化釷形成的催化燃烧反应的金属氧化物薄膜。

4、一种采用微机械加工单晶硅热隔离结构的氧化和还原气体传感器，其结构特征包括：

一块硅片；

处于硅片内，宽度300至1200微米，深度4至40微米的平底空腔；

连接于硅片表层并处于空腔上方，厚度2至20微米，像是用宽100至400微米的排笔写成的十字形的多孔单晶硅层，十字包括中心的矩形部分和边缘的伸出部分；

封闭多孔单晶硅层侧面和底部表面，厚度0.1至2微米的无孔单晶硅层；

封闭多孔单晶硅层上部表面，厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜；

处于多孔单晶硅层矩形部分上部表面的中心区域，由厚0.5微米的掺杂多晶硅形成的加热电阻条；

覆盖加热电阻条区域表面，厚度5000埃的二氧化硅薄膜；

处于二氧化硅薄膜表面，由厚500至2000埃的二氧化锡或三氧化钨形成的气敏金属氧化物半导体电阻条；以及

处于多孔单晶硅层矩形部分上部表面边缘，连接气敏金属氧化物半导体电阻条的电极。

5、一种采用微机械加工单晶硅热隔离结构的流量传感器，其结构特征包括：

一块硅片；

处于硅片内，宽度300至1200微米，深度4至40微米的平底空腔；

连接于硅片表层并处于空腔上方，厚度2至20微米，像是用宽100至400微米的排笔写成的十字形的多孔单晶硅层，十字包括中心的矩形部分和边缘的伸出部分；

封闭多孔单晶硅层侧面和底部表面，厚度0.1至2微米的无孔单晶硅层；

封闭多孔单晶硅薄膜上部表面，厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜；

处于多孔单晶硅层矩形部分上部表面中心区域，由厚0.5微米的掺杂多晶硅薄膜形成的加热电阻条；以及

从多孔单晶硅层矩形部分上部表面边缘开始，经伸出部分，延伸到围绕多孔单晶硅层，起支持作用的硅片表面上的两组对称分布的热偶堆，每组热偶堆含20至40对由掺杂多晶硅和金属铝薄膜形成的热偶。

6、一种制造微机械加工单晶硅热隔离结构的方法，其特征制造步骤包括：

准备一块电阻率为0.1至0.001欧姆厘米的N-型或P-型无孔单晶硅衬底；

通过阳极氧化，在单晶硅衬底表面选定的区域形成宽300至1200微米，深4至40微米的厚多孔单晶硅层；

通过外延生长，在无孔单晶硅衬底表面，包括形成的厚多孔单晶硅埋层表面，先后形成厚0.1至2微米，载流子浓度低于10¹⁶/cm³的未掺杂无孔单晶硅外延层，和厚2至20微米，载流子浓度为10¹⁸至10²⁰/cm³的高掺杂无孔单晶硅外延层，掺杂类型为N-型或P-型，但两层外延层的掺杂类型要相同；

通过阳极氧化，将处于厚多孔单晶硅层上部部分区域的高掺杂无孔单晶硅外延层转变成薄多孔单晶硅层，其形状像是用宽100至400微米的排笔写成的十字，包括中心的矩形部分和边缘的伸出部分；

通过低压气相化学沉积，在高掺杂无孔单晶硅外延层表面，包括薄多孔单晶硅层表面，形成厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜；

在形成传感元件后，通过光刻腐蚀在多孔单晶硅十字的两相邻伸出部分之间形成开口，使其穿过二氧化硅薄膜和无孔单晶硅外延层，直抵厚多孔单晶硅层；以及

选择性腐蚀去掉厚多孔单晶硅层，使其变成空腔，空腔上部的薄多孔单晶硅层和未掺杂无孔单晶硅外延层变成悬挂的隔热薄膜结构，薄膜结构的形状为十字形，包括中心的矩形部分和边缘的伸出部分。

7、一种制造采用微机械加工单晶硅热隔离结构的红外温度传感器方法，其特征制造步骤包括：

准备一块电阻率为0.1至0.001欧姆厘米的N-型或P-型无孔单晶硅衬底；

通过阳极氧化，在单晶硅衬底表面选定的区域形成宽300至1200微米，深4至40微米的厚多孔单晶硅层；

通过外延生长，在单晶硅衬底表面，包括形成的厚多孔单晶硅埋层表面，先后形成厚0.1至2微米，载流子浓度低于10¹⁶/cm³的未掺杂无孔单晶硅外延层，和厚2至20微米，载流子浓度为10¹⁸至10²⁰/cm³的高掺杂无孔单晶硅外延层，掺杂类型为N-型或P-型，但两层外延层的掺杂类型要相同；

通过阳极氧化，将处于厚多孔单晶硅层上部部分区域的高掺杂无孔单晶硅外延层转变成薄多孔单晶硅层，其形状像是用宽100至400微米的排笔写成的十字，包括中心的矩形部分和边缘的伸出部分；

通过低压气相化学沉积，在高掺杂无孔单晶硅外延层表面，包括薄多孔单晶硅层表面，形成厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜；

通过薄膜沉积和光刻腐蚀，在多孔单晶硅层矩形部分上部表面边缘，伸出部分，以及十字周围的硅片表面形成热偶堆，该热偶堆含40至80对由厚0.5微米掺杂多晶硅薄膜和厚0.5微米金属铝薄膜形成的热偶；

通过低压气相化学沉积，在多孔单晶硅层矩形部分上部表面，形成厚度5000埃的二氧化硅薄膜；

通过真空蒸发，在二氧化硅薄膜表面形成厚500至2000埃，由黒(多孔)金或黒(多孔)碳形成的红外吸收薄膜；

通过光刻腐蚀，在多孔单晶硅十字的两相邻伸出部分之间形成开口，使其穿过二氧化硅薄膜和无孔单晶硅外延层，直抵厚多孔单晶硅层；以及

选择性腐蚀去掉厚多孔单晶硅层，使其变成空腔，空腔上部的薄多孔单晶硅层和未掺杂无孔单晶硅外延层变成悬挂的隔热薄膜结构，薄膜结构的形状为十字形，包括中心的矩形部分和边缘的伸出部分。

8、一种制造采用微机械加工单晶硅热隔离结构的可燃气体传感器方法，其特征制造步骤包括：

准备一块电阻率为0.1至0.001欧姆厘米的N-型或P-型无孔单晶硅衬底；

通过阳极氧化，在单晶硅衬底表面选定的区域形成宽300至1200微米，深4至40微米的厚多孔单晶硅层；

通过外延生长，在单晶硅衬底表面，包括形成的厚多孔单晶硅埋层表面，先后形成厚0.1至2微米，载流子浓度低于10¹⁶/cm³的未掺杂无孔单晶硅外延层，和厚2至20微米，载流子浓度为10¹⁸至10²⁰/cm³的高掺杂无孔单晶硅外延层，掺杂类型为N-型或P-型，但两层外延层的掺杂类型要相同；

通过阳极氧化，将处于厚多孔单晶硅层上部部分区域的高掺杂无孔单晶硅外延层转变成薄多孔单晶硅层，其形状像是用宽100至400微米的排笔写成的十字，包括中心的矩形部分和边缘的伸出部分；

通过低压气相化学沉积，在高掺杂无孔单晶硅外延层表面，包括薄多孔单晶硅层表面，形成厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜；

通过薄膜沉积和光刻腐蚀，在多孔单晶硅层的矩形部分上部表面的中心区域形成由厚0.5微米掺杂多晶硅薄膜形成的加热电阻条；

通过薄膜沉积和光刻腐蚀，在加热电阻条的边缘，以及厚多孔单晶硅层的伸出部分，和十字周围的硅片表面形成热偶堆，该热偶堆含40至80对由厚0.5微米掺杂多晶硅薄膜和厚0.5微米金属铝薄膜形成的热偶；

通过低压气相化学沉积，在加热电阻条区域的上部表面形成厚度5000埃的二氧化硅薄膜；

通过薄膜沉积和顶脱(Lift-off)腐蚀，在二氧化硅薄膜表面形成厚500至2000埃，由一氧化钯或二氧化钍形成催化燃烧反应的金属氧化物薄膜；

通过光刻腐蚀，在多孔单晶硅十字的两相邻伸出部分之间形成开口，使其穿过二氧化硅薄膜和无孔单晶硅外延层，直抵厚多孔单晶硅层；以及

选择性腐蚀去掉厚多孔单晶硅层，使其变成空腔，空腔上部的薄多孔单晶硅层和未掺杂无孔单晶硅外延层变成悬挂的隔热薄膜结构，薄膜结构的形状为十字形，包括中心的矩形部分和边缘的伸出部分。

9、一种制造采用微机械加工单晶硅热隔离结构的氧化和还原气体传感器方法，其特征制造步骤包括：

准备一块电阻率为0.1至0.001欧姆厘米的N-型或P-型无孔单晶硅衬底；

通过阳极氧化，在单晶硅衬底表面选定的区域形成宽300至1200微米，深4至40微米的厚多孔单晶硅层；

通过外延生长，在单晶硅衬底表面，包括形成的厚多孔单晶硅埋层表面，先后形成厚0.1至2微米，载流子浓度低于10¹⁶/cm³的未掺杂无孔单晶硅外延层，和厚2至20微米，载流子浓度为10¹⁸至10²⁰/cm³的高掺杂无孔单晶硅外延层，掺杂类型为N-型或P-型，但两层外延层的掺杂类型要相同；

通过阳极氧化，将处于厚多孔单晶硅层上部部分区域的高掺杂无孔单晶硅外延层转变成薄多孔单晶硅层，其形状像是用宽100至400微米的排笔写成的十字，包括中心的矩形部分和边缘的伸出部分；

通过低压气相化学沉积，在高掺杂无孔单晶硅外延层表面，包括薄多孔单晶硅层表面，形成厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜；

通过薄膜沉积和光刻腐蚀，在多孔单晶硅层的矩形部分上部表面的中心区域形成由厚0.5微米掺杂多晶硅薄膜形成的加热电阻条；

通过低压气相化学沉积，在加热电阻条区域的上部表面形成厚度5000埃的二氧化硅薄膜；

通过薄膜沉积和光刻腐蚀，在加热电阻条的边缘形成金属电极；

通过薄膜沉积和顶脱(Lift-off)腐蚀，在二氧化硅薄膜表面形成厚500至2000埃，由二氧化锡或三氧化钨形成气敏金属氧化物半导体电阻条，使其两端与金属电极相连；

通过光刻腐蚀，在多孔单晶硅十字的两相邻伸出部分之间形成开口，使其穿过二氧化硅薄膜和无孔单晶硅外延层，直抵厚多孔单晶硅层；以及

选择性腐蚀去掉厚多孔单晶硅层，使其变成空腔，空腔上部的薄多孔单晶硅层和未掺杂无孔单晶硅外延层变成悬挂的隔热薄膜结构，薄膜结构的形状为十字形，包括中心的矩形部分和边缘的伸出部分。

10、一种制造采用微机械加工单晶硅热隔离结构的流量传感器方法，其特征制造步骤包括：

准备一块电阻率为0.1至0.001欧姆厘米的N-型或P-型无孔单晶硅衬底；

通过阳极氧化，在单晶硅衬底表面选定的区域形成宽300至1200微米，深4至40微米的厚多孔单晶硅层；

通过外延生长，在单晶硅衬底表面，包括形成的厚多孔单晶硅埋层表面，先后形成厚0.1至2微米，载流子浓度低于10¹⁶/cm³的未掺杂无孔单晶硅外延层，和厚2至20微米，载流子浓度为10¹⁸至10²⁰/cm³的高掺杂无孔单晶硅外延层，掺杂类型为N-型或P-型，但两层外延层的掺杂类型要相同；

通过阳极氧化，将处于厚多孔单晶硅层上部部分区域的高掺杂无孔单晶硅外延层转变成薄多孔单晶硅层，其形状像是用宽100至400微米的排笔写成的十字，包括中心的矩形部分和边缘的伸出部分；

通过低压气相化学沉积，在高掺杂无孔单晶硅外延层表面，包括薄多孔单晶硅层表面，形成厚度2000至8000埃的二氧化硅薄膜；

通过薄膜沉积和光刻腐蚀，在多孔单晶硅层的矩形部分上部表面的中心区域形成由厚0.5微米掺杂多晶硅薄膜形成的加热电阻条；

通过薄膜沉积和光刻腐蚀，在加热电阻条的边缘，以及多孔单晶硅层十字的伸出部分，和十字周围的硅片表面形成两组对称分布的热偶堆，每组热偶堆含20至40对由厚0.5微米掺杂多晶硅薄膜和厚0.5微米金属铝薄膜形成的热偶；

通过光刻腐蚀，在多孔单晶硅十字的两相邻伸出部分之间形成开口，使其穿过二氧化硅薄膜和无孔单晶硅外延层，直抵厚多孔单晶硅层；以及

选择性腐蚀去掉厚多孔单晶硅层，使其变成空腔，空腔上部的薄多孔单晶硅层和未掺杂无孔单晶硅外延层变成悬挂的隔热薄膜结构，薄膜结构的形状为十字形，包括中心的矩形部分和边缘的伸出部分。

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