CN201247082Y - 平膜式气体流量传感器 - Google Patents

Abstract

平膜式气体流量传感器。它涉及流量传感器领域，它解决了现有气体流量传感器结构尺寸较大、功耗较高，且不易于批量生产，成本较高的缺点，它的单晶硅片的上下表面分别生成绝缘层，在上部绝缘层上依次生成过渡层和敏感金属层，并刻蚀为加热电阻、测温热敏电阻和控制电阻并相互平行；电极透过覆盖在单晶硅片上表面的钝化保护层连接敏感金属层，单晶硅片的底部开有一个平行于电阻刻蚀方向截面为杯形的沉槽，所述截面为杯形的沉槽的上底面为上部绝缘层的下底面，单晶硅片的底部还开有一个垂直于电阻刻蚀方向的矩形导流槽，截面为杯形的沉槽通过矩形导流槽与外界连通。它提高了传感器的稳定性和可靠性，具有响应速度快和灵敏度高、功耗低的特点。

Description

平膜式气体流量传感器

技术领域

本实用新型涉及流量传感器领域。

背景技术

现有流量传感器主要以旋转翼片式(叶片式)、卡门涡旋式、热线式为主，现有流量传感器同利用硅微机械加工技术制造的平膜式气体流量传感器相比结构尺寸较大、功耗较高，且不易于批量生产，成本较高。

实用新型内容

本实用新型是为了解决现有平膜式气体流量传感器结构尺寸较大、功耗较高，且不易于批量生产，成本较高的缺点，而提出了一种平膜式气体流量传感器。

本实用新型的平膜式气体流量传感器由单晶硅片、绝缘层、过渡层、敏感金属层、钝化保护层和电极组成；单晶硅片的上下表面分别生成有绝缘层，所述绝缘层内向外分别由二氧化硅层和氮化硅层组成，在上部的绝缘层上生成有过渡层，过渡层的上部为敏感金属层，沿垂直或平行于单晶硅片上表面的晶向方向刻蚀过渡层和敏感金属层为加热电阻Rh、测温热敏电阻Ra和控制电阻Rb，加热电阻Rh、测温热敏电阻Ra和控制电阻Rb相互平行；单晶硅片上表面的绝缘层、过渡层和敏感金属层外部覆盖有钝化保护层，电极透过钝化保护层与敏感金属层连接，电极由电极过渡层和电极层组成，电极过渡层位于电极层和敏感金属层之间；单晶硅片的底部开有一个平行于电阻刻蚀方向截面为杯形的沉槽，所述截面为杯形的沉槽的上底面为上部绝缘层的下底面，单晶硅片的底部还开有一个垂直于电阻刻蚀方向的矩形导流槽，截面为杯形的沉槽通过矩形导流槽与外界连通。

利用硅微机械加工(MEMS)技术和集成电路工艺制造的平膜式气体流量传感器。在以单晶硅片为衬底的材料上，用半导体工艺——氧化和LPCVD的方法生成绝缘支撑层，采用电子束蒸发金属铬作为过渡层，再蒸发金属铂形成敏感金属层作为发热体和热敏元件，通过双面光刻和等离子刻蚀的方法将金属铂制作出金属薄膜加热电阻Rh和测温热敏电阻Ra，并将加热电阻Rh和测温热敏电阻制作在传感器的中央，再通过半导体各向异性腐蚀技术将发热体和热敏元件与硅衬底之间形成高效的热隔离区，在平膜式气体流量传感器的背面采用硅微机械加工(MEMS)技术制作成截面为杯形的沉槽和矩形导流槽，其中截面为杯形的沉槽和加热电阻Rh、测温热敏电阻Ra，及其位于他们之间的绝缘层和其上部的钝化保护层构成敏感薄膜，可以最大限度的减小热量散失，使传感器具有响应速度高、灵敏度高和功耗低的特点。矩形导流槽为一个单侧导流槽，且位于气流的下端，可使传感器芯片在封装过程中表面不产生机械应力，确保敏感薄膜的上下压力平衡，减少了敏感薄膜形变的发生，提高了产品的可靠性。同时，使传感器可以直接粘接在陶瓷片或线路板上，并通过引线键合将传感器与外电路连接。该结构的传感器扩展了流量传感器的封装使用范围。为防止各种气体对敏感元件表面的腐蚀，我们采用PECVD方法生长二氧化硅作为钝化保护层，使其具有高效隔离保护作用。采用金作为金属电极，具有稳定性高、耐腐蚀、易于压焊的优点。该平膜式流量传感器适用于工业、化工、农业和汽车行业上对气体流量的测量，它具有结构尺寸小、成本低适于标准集成电路线的批量生产的优点。

附图说明

图1是本实用新型的制造方法中步骤一的结构示意图；图2是本实用新型的制造方法中步骤二的结构示意图；图3是本本实用新型的制造方法中步骤三的结构示意图；图4是本实用新型的制造方法中步骤四的结构示意图；图5是本实用新型的制造方法中步骤五的结构示意图；图6是本实用新型的制造方法中步骤六的结构示意图；图7是本实用新型的制造方法中步骤七的结构示意图；图8和图9是本实用新型的制造方法中步骤八的结构示意图；图10是本发明装置的仰视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图8和图9说明本实施方式，本实施方式的平膜式气体流量传感器由单晶硅片1、绝缘层、过渡层4、敏感金属层5、钝化保护层6和电极8组成；单晶硅片1的上下表面分别生成有绝缘层，所述绝缘层内向外分别由二氧化硅层2和氮化硅层3组成，在上部的绝缘层上生成有过渡层4，过渡层4的上部为敏感金属层5，沿垂直或平行于单晶硅片1上表面的晶向方向刻蚀过渡层4和敏感金属层5为加热电阻Rh、测温热敏电阻Ra和控制电阻Rb，加热电阻Rh、测温热敏电阻Ra和控制电阻Rb相互平行；单晶硅片1上表面的绝缘层、过渡层4和敏感金属层5外部覆盖有钝化保护层6，电极8透过钝化保护层6与敏感金属层5连接，电极8由电极过渡层和电极层组成，电极过渡层位于电极层和敏感金属层5之间；单晶硅片1的底部开有一个平行于电阻刻蚀方向截面为杯形的沉槽，所述截面为杯形的沉槽的上底面为上部绝缘层的下底面，单晶硅片1的底部还开有一个垂直于电阻刻蚀方向的矩形导流槽10，截面为杯形的沉槽通过矩形导流槽10与外界连通。所述的截面为杯形的沉槽和加热电阻Rh、测温热敏电阻Ra，及其位于他们之间的绝缘层和其上部的钝化保护层构成敏感薄膜。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点在于所述的矩形导流槽10设置在截面为杯形的沉槽的横向轴心线上。其它结构和连接关系与具体实施方式一相同。本实施方式确保气流平衡稳定。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同点在于所述的矩形导流槽10的宽度为150～250微米、深度为100～200微米。其它结构和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同点在于所述的矩形导流槽10的宽度为210微米、深度为150微米。其它结构和连接关系与具体实施方式三相同。该尺寸设计既易于工艺上的实现，又可确保敏感薄膜9的强度。同时，便于导流槽底部杂质的清除。当气体流过芯片表面时，可使敏感薄膜9底部的气体易于快速与外界气体进行交换，减少敏感薄膜9形变的发生。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一或四不同点在于加热电阻Rh设置在绝缘层上表面的纵向中心线上，测温热敏电阻Ra分别对称设置在加热电阻Rh两侧的绝缘层的上表面。其它结构和连接关系与具体实施方式一或四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一或四不同点在于截面为杯形的沉槽设置在单晶硅片1底部的纵向轴心线上。其它结构和连接关系与具体实施方式一或四相同。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或四不同点在于单晶硅片1为N型，晶向为100，厚度为400微米的双面抛光单晶硅片。其它结构和连接关系与具体实施方式一或四相同。

具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式七不同点在于绝缘层中二氧化硅层2的厚度为0.85～1微米。其它结构和连接关系与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式八不同点在于绝缘层中氮化硅层3厚度为0.15～0.18微米。其它结构和连接关系与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：结合图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式九不同点在于钝化保护层6的厚度约0.8～1微米，钝化保护层6为二氧化硅。其它结构和连接关系与具体实施方式九相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式十不同点在于所述的电极8的电极过渡层为铬电极过渡层，电极8的电极层为金电极层；厚度为1微米。其它结构和连接关系与具体实施方式十相同。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。

平膜式气体流量传感器的制造方法，其步骤如下：

步骤一：绝缘层制作，如图1所示；采用标准的清洗工艺对单晶硅片1进行清洗，然后在1050℃下分别对单晶硅片1的上下表面进行氧化处理，进而生成绝缘层的二氧化硅层2；然后再采用LPCVD方法和低应力淀积工艺，在所述的二氧化硅层2的表面上淀积低应力的氮化硅层3作为绝缘支撑层；

步骤二：底面腐蚀窗孔制作，如图2所示；在单晶硅片1下底面的氮化硅层3上涂敷1.5～2.0微米的正性光刻胶，并通过光刻工艺形成腐蚀窗口；然后采用等离子刻蚀工艺去除背面窗口内的氮化硅层3和二氧化硅层2；

步骤三：敏感金属层5制作，首先采用标准的清洗工艺对单晶硅片1的上下表面的氮化硅层3和腐蚀窗孔进行清洗，然后采用电子束蒸发生长金属铬作为过渡层4，再生长金属铂作为敏感金属层5；最后在N2气氛中进行退火；

步骤四：金属薄膜电阻制作，如图4所示；先采用双面光刻工艺在敏感金属层5上形成加热电阻Rh、测温热敏电阻Ra和控制电阻Rb的图形，光刻胶厚度为3.5～4.0微米；再采用等离子刻蚀工艺对过渡层4和敏感金属层5刻蚀，形成金属薄膜电阻；

步骤五：钝化保护层6制作，如图5所示；采用PECVD方法淀积二氧化硅覆盖在金属薄膜电阻和刻蚀裸露出的绝缘支撑层上，形成钝化保护层6；

步骤六：引线孔7制作，如图6所示；先在金属薄膜电阻的钝化保护层6上进行光刻，再通过等离子刻蚀方法去除钝化保护层6形成电极引线孔7；

步骤七：电极8制作，如图7所示；先采用电子束蒸发在引线口内蒸发铬形成电极过渡层；再蒸发金形成电极层，并光刻出金属电极；最后在真空气氛中进行合金，形成良好的欧姆接触；

步骤八：截面为杯形的沉槽和矩形导流槽10的制作，如图8和图9所示；采用微机械加工工艺将平膜式气体流量传感器的底部沿电阻刻蚀方向开有截面为杯形的沉槽和垂直截面为杯形的沉槽的一个矩形导流槽10；

步骤九：将腐蚀好的芯片，先用划片机按分离槽分离出单个敏感单元，再对每个敏感单元进行性能测试，最后进行封装与电路调试。

Claims (10)

1、平膜式气体流量传感器，其特征在于它由单晶硅片(1)、绝缘层、过渡层(4)、敏感金属层(5)、钝化保护层(6)和电极(8)组成；单晶硅片(1)的上下表面分别生成有绝缘层，所述绝缘层内向外分别由二氧化硅层(2)和氮化硅层(3)组成，在上部的绝缘层上生成有过渡层(4)，过渡层(4)的上部为敏感金属层(5)，沿垂直或平行于单晶硅片(1)上表面的晶向方向刻蚀过渡层(4)和敏感金属层(5)为加热电阻Rh、测温热敏电阻Ra和控制电阻Rb，加热电阻Rh、测温热敏电阻Ra和控制电阻Rb相互平行；单晶硅片(1)上表面的绝缘层、过渡层(4)和敏感金属层(5)外部覆盖有钝化保护层(6)，电极(8)透过钝化保护层(6)与敏感金属层(5)连接，电极(8)由电极过渡层和电极层组成，电极过渡层位于电极层和敏感金属层(5)之间；单晶硅片(1)的底部开有一个平行于电阻刻蚀方向截面为杯形的沉槽，所述截面为杯形的沉槽的上底面为上部绝缘层的下底面，单晶硅片(1)的底部还开有一个垂直于电阻刻蚀方向的矩形导流槽(10)，截面为杯形的沉槽通过矩形导流槽(10)与外界连通。

2、根据权利要求1所述的平膜式气体流量传感器，其特征在于矩形导流槽(10)设置在截面为杯形的沉槽的横向轴心线上。

3、根据权利要求1或2所述的平膜式气体流量传感器，其特征在于矩形导流槽(10)的宽度为150～250微米、深度为100～200微米。

4、根据权利要求3所述的平膜式气体流量传感器，其特征在于加热电阻Rh设置在绝缘层上表面的纵向中心线上，测温热敏电阻Ra分别对称设置在加热电阻Rh两侧的绝缘层的上表面。

5、根据权利要求1或4所述的平膜式气体流量传感器，其特征在于截面为杯形的沉槽设置在单晶硅片(1)底部的纵向轴心线上。

6、根据权利要求1或4所述的平膜式气体流量传感器，其特征在于单晶硅片(1)为N型，晶向为100，厚度为400微米的双面抛光单晶硅片。

7、根据权利要求1或4所述的平膜式气体流量传感器，其特征在于绝缘层中二氧化硅层(2)的厚度为0.85～1微米。

8、根据权利要求7所述的平膜式气体流量传感器，其特征在于绝缘层中氮化硅层(3)厚度为0.15～0.18微米。

9、根据权利要求8所述的平膜式气体流量传感器，其特征在于钝化保护层(6)的厚度约0.8～1微米。

10、根据权利要求9所述的平膜式气体流量传感器，其特征在于电极(8)的电极过渡层为铬电极过渡层，电极(8)的电极层为金电极层；厚度为1微米。

Images