CN113029265B - 一种真空隔热的mems流量传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空隔热的MEMS流量传感器及其制作方法，该流量传感器包括：衬底，设有真空密闭隔热腔体；第一介质层，形成于衬底的上表面；加热元件、感温元件及金属电极，形成于第一介质层的上表面，其中感温元件对称分布在加热元件的两侧，加热元件及感温元件局部位于隔热腔体的上方；第二介质层，覆盖加热元件、感温元件、金属电极及通孔，且局部刻蚀出接触孔。本发明的MEMS流量传感器利用低压力化学气相沉积法的“保形效应”形成真空密闭隔热腔体，一方面可提高隔热腔体的隔热性能，另一方面可减少被测流体与隔热腔体之间的对流热损失，从而有利于降低器件功耗，并增大上下游感温元件之间的温差，有效提高器件灵敏度。

Description

一种真空隔热的MEMS流量传感器及其制作方法

技术领域

本发明属于流量测量技术领域，特别涉及一种真空隔热的MEMS流量传感器及其制作方法。

背景技术

流量测量是工业生产和科学研究的基本需求。流量传感器种类繁多，其中，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芯片主要包括集成在同一基底上的三个元件：位于中心的加热元件和对称分布在加热元件上下游的感温元件(通常为热电堆)。加热元件提供一定的功率以使芯片表面温度高于环境温度，当无气体流动时，芯片表面温度以加热元件为中心呈正态分布，上下游感温元件具有相同的电信号；当有气体流动时，气体分子转移热量使芯片表面的温度分布发生偏移，上下游感温元件的电信号随之产生差异，利用这种差异就可推算出流量。

功耗和灵敏度是流量传感器的重要指标，针对于此，人们主要发展了三种技术方案：采用热导率较小的悬浮膜结构来减小基底的热损耗；采用具有更高塞贝克系数的热电材料；采用更大的芯片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，人们对流量传感器的功耗和灵敏度的要求进一步提高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种真空隔热的MEMS流量传感器及其制作方法，通过形成真空密闭的隔热腔体，达到减少热量损失、降低器件功耗的目的，同时增大上下游感温元件之间的温差，有效提高器件的灵敏度。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种真空隔热的MEMS流量传感器，包括：

衬底，设有隔热腔体，所述隔热腔体由所述衬底的上表面向内凹入形成；所述衬底上表面沉积有一层牺牲层，所述隔热腔体设于牺牲层中，由牺牲层的上表面向内凹入形成；所述牺牲层的材料为氧化硅、氮化硅、多晶硅、非晶硅中的一种；

第一介质层，形成于所述衬底的上表面，其上通过局部刻蚀形成均匀分布的若干通孔；

加热元件，形成于所述第一介质层的上表面，且局部位于所述隔热腔体的上方；所述加热元件的材料为P型多晶硅、N型多晶硅、金属中的一种；

感温元件，形成于所述第一介质层的上表面，对称分布在所述加热元件的两侧，且局部位于所述隔热腔体的上方；

金属电极，形成于所述第一介质层的上表面；

第二介质层，覆盖所述加热元件、感温元件、金属元件及通孔，并使所述隔热腔体形成真空密闭状态，且所述第二介质层上通过局部刻蚀形成暴露出部分金属电极的接触孔。

上述方案中，所述衬底为半导体衬底，包括硅衬底、锗衬底、SOI衬底、GeOI衬底中的一种。

上述方案中，所述衬底上表面沉积有一层牺牲层，所述隔热腔体设于牺牲层中，由牺牲层的上表面向内凹入形成；所述牺牲层的材料为氧化硅、氮化硅、多晶硅、非晶硅中的一种。

上述方案中，所述第一介质层的材料为氧化硅、氮化硅的一种或两种组合。

上述方案中，所述加热元件的材料为P型多晶硅、N型多晶硅、金属中的一种。

上述方案中，所述感温元件为热敏电阻或热电堆；其中，热敏电阻的材料为具有正/负温度系数的金属，热电堆的材料为P型多晶硅/N型多晶硅的组合，或P型多晶硅/金属的组合，或N型多晶硅/金属的组合。

上述方案中，所述金属电极的材料为钛、钨、铬、铂、铝、金中的一种或多种组合。

上述方案中，所述通孔形状包括圆形、矩形及十字花形中的一种。

上述方案中，所述第二介质层的材料为低压力化学气相沉积法形成的氧化硅或氮化硅。

本发明还提供一种真空隔热的MEMS流量传感器的制作方法，包括如下步骤：

S1、提供一衬底，于所述衬底上形成第一介质层；

S2、于所述第一介质层上形成加热元件、感温元件及金属电极；

S3、对所述第一介质层进行局部刻蚀，形成均匀分布的通孔；

S4、由所述通孔对衬底进行释放，形成隔热腔体；

S5、采用低压力化学气相沉积的方法形成第二介质层，覆盖所述加热元件、感温元件、金属电极及通孔，并使隔热腔体形成真空密闭状态；

S6、对所述第二介质层进行局部刻蚀，以形成接触孔，暴露出部分所述金属电极。

通过上述技术方案，本发明提供的一种真空隔热的MEMS流量传感器及其制作方法，具有以下有益效果：

1、本发明基于MEMS技术制造的热温差式流量传感器，具有体积小、响应快、功耗低、稳定性高等优点，且制备过程简单，可控性强，与现行成熟的微加工工艺兼容。

2、相比现有流量传感器中常见的隔热腔体，本发明基于低压力化学气相沉积法中的“保形效应”形成真空密闭隔热腔体，可有效减少加热元件的热损失，进而在上下游感温元件之间产生更大的温度差，其原因包括两方面：一是气体密度的减小使气体分子的碰撞概率降低，通过气体分子碰撞传递的热量也将减少，即，隔热腔体的隔热性能得到进一步提高；二是通孔密闭可避免被测流体与隔热腔体之间发生热对流，从而大大减少对流热损失。因此，本发明的具有真空密闭隔热腔体的MEMS流量传感器可有效降低功耗，提高灵敏度。

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1a为通孔宽度过大时应用低压力化学气相沉积法沉积材料时无法出现“保形效应”的剖面示意图；

图1b为通孔宽度适当时应用低压力化学气相沉积法沉积材料时出现“保形效应”的剖面示意图；

图2为本发明实施例所公开的一种真空隔热的MEMS流量传感器芯片及其制作方法流程示意图；

图3为本发明实施例所公开的制备方法中步骤S1制得结构的剖面示意图；

图4为本发明实施例所公开的制备方法中步骤S2制得结构的剖面示意图；

图5为本发明实施例所公开的制备方法中步骤S3制得结构的剖面示意图；

图6为本发明实施例所公开的制备方法中步骤S4制得结构的剖面示意图；

图7为本发明实施例所公开的制备方法中步骤S5制得结构的剖面示意图；

图8为本发明实施例一所公开的制备方法中步骤S6制得结构的剖面示意图；

图9为本发明实施例二所公开的制备方法中步骤S6制得结构的剖面示意图；

图10为本发明实施例三所公开的制备方法中步骤S6制得结构的剖面示意图。

图中，10、衬底；20、第一介质层；31、加热元件；32、感温元件；33、金属电极；40、通孔；50、第二介质层；60、接触孔；90、牺牲层；100、隔热腔体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种真空隔热的MEMS流量传感器，包括：

衬底10，设有隔热腔体100，隔热腔体100由衬底10的上表面向内凹入形成；

第一介质层20，形成于衬底10的上表面，其上通过局部刻蚀形成均匀分布的若干通孔40；

加热元件31，形成于第一介质层20的上表面，且局部位于隔热腔体100的上方；

感温元件32，形成于第一介质层20的上表面，对称分布在加热元件31的两侧，且局部位于隔热腔体100的上方；

金属电极33，形成于第一介质层20的上表面；

第二介质层50，覆盖加热元件31、感温元件32、金属元件33及通孔40，并使隔热腔体100形成真空密闭状态，且第二介质层50上通过局部刻蚀形成暴露出部分金属电极33的接触孔60。

需要说明的是，形成真空密闭隔热腔体100的原理是：通过低压力化学气相沉积的方法形成第二介质层20，一方面，低压力沉积过程会使隔热腔体100中的气体密度减小，另一方面，通过该方法形成的介质层材料会在通孔40处发生“保形效应”，请参阅图1a和图1b，适当设置通孔40的宽度，最终可将通孔40密闭，使隔热腔体100内形成真空密闭状态。

需要说明的是，相比现有流量传感器中常见的隔热腔体，真空密闭隔热腔体可有效减少加热元件的热损失，进而在上下游感温元件之间产生更大的温度差，其原因包括两方面：一是气体密度的减小使气体分子的碰撞概率降低，通过气体分子碰撞传递的热量也将减少，即，隔热腔体的隔热性能得到进一步提高；二是通孔密闭可避免被测流体与隔热腔体之间发生热对流，从而大大减少对流热损失。因此，真空密闭隔热腔体有利于降低器件功耗，提高器件灵敏度。

具体地，衬底10为常见的半导体衬底，包括但不限于硅衬底、锗衬底、SOI衬底、GeOI衬底的一种。请参阅图8，在本发明的实施例一中，衬底10为单晶硅衬底；请参阅图9，在本发明的实施例二中，衬底10为SOI衬底。

需要说明的是，可选择地，首先在衬底10上沉积一牺牲层90，进而在牺牲层90上制作其它结构，此时，隔热腔体100设于牺牲层90中，由牺牲层90的上表面向内凹入形成；牺牲层90的材料为氧化硅、氮化硅、多晶硅、非晶硅的一种。请参阅图10，在本发明的实施例三中，需首先在单晶硅衬底10上沉积一层多晶硅牺牲层90。

需要说明的是，为方便描述，沉积有牺牲层90的衬底仍称为衬底10。

具体地，第一介质层20的材料为氧化硅、氮化硅的一种或两种组合；在本发明的实施例中，第一介质层20由氧化硅和氮化硅复合而成。

具体地，加热元件31的材料为P型多晶硅、N型多晶硅、金属的一种；在本发明的实施例中，加热元件31的材料为铂。

具体地，感温元件32可为热敏电阻，也可为热电堆；其中，热敏电阻的材料为具有正/负温度系数的金属，热电堆的材料为P型多晶硅/N型多晶硅的组合，或P型多晶硅/金属的组合，或N型多晶硅/金属的组合；在本发明的实施例中，感温元件32采用铂热敏电阻。

具体地，金属电极33的材料为钛、钨、铬、铂、铝、金中的一种或多种组合；在本发明的实施例中，金属层33的材料为铂。

具体地，通孔40均匀分布，其形状包括但不限于圆形、矩形及十字花形的一种；在本发明的实施例中，通孔40的形状为圆形。

具体地，第二介质层50的材料为低压力化学气相沉积法形成的氧化硅或氮化硅；在本发明的实施例中，第二介质层50的材料为低压力化学气相沉积法形成的氧化硅。

本发明还提供上述真空隔热的MEMS流量传感器的制作方法，如图2所示，包括如下步骤：

S1、提供一衬底10，于衬底10上形成第一介质层20，如图3所示；

具体地，第一介质层20的材料为氧化硅、氮化硅的一种或两种组合，其中，氧化硅可通过热氧化、低压力化学气相沉积、等离子体化学气相沉积的方法形成，氮化硅可通过低压力化学气相沉积、等离子体化学气相沉积的方法形成；在本发明的实施例中，第一介质层20由氧化硅和氮化硅复合而成，其中，氧化硅通过热氧化的方法形成，氮化硅通过低压力化学气相沉积的方法形成。

具体地，衬底10为常见的半导体衬底，包括但不限于硅衬底、锗衬底、SOI衬底、GeOI衬底的一种。请参阅图8，在本发明的实施例一中，衬底10为单晶硅衬底；请参阅图9，在本发明的实施例二中，衬底10为SOI衬底。

需要说明的是，可选择地，首先在衬底10上沉积一牺牲层90，并在牺牲层90上进行后续步骤；牺牲层90的材料为氧化硅、氮化硅、多晶硅、非晶硅的一种，通过化学气相沉积、物理气相沉积、液相外延等方法形成。请参阅图10，在本发明的实施例三中，需首先通过低压力化学气相沉积法在单晶硅衬底10上沉积一层多晶硅牺牲层90。

S2、于第二介质层30上形成加热元件31、感温元件32及金属电极33，如图4所示；

具体地，加热元件31的材料为P型多晶硅、N型多晶硅、金属的一种，感温元件32可为热敏电阻(其材料为具有正/负温度系数的金属)，也可为热电堆(其材料为P型多晶硅/N型多晶硅的组合，或P型多晶硅/金属的组合，或N型多晶硅/金属的组合)，金属电极33的材料为钛、钨、铬、铂、铝、金中的一种或多种组合；其中，P型多晶硅或N型多晶硅通过LPCVD、离子注入、退火、刻蚀等工艺的组合形成；金属通过剥离工艺形成，或通过先溅射或蒸镀后刻蚀的方法形成；在本发明的实施例中，加热元件31、感温元件32及金属元件33均采用铂，且通过剥离工艺同步形成。

S3、对第一介质层30进行局部刻蚀，形成均匀分布的通孔40，如图5所示；

具体地，可采用等离子刻蚀、离子束刻蚀、反应离子刻蚀等方法形成通孔40，其形状包括但不限于圆形、矩形及十字花形的一种；在本发明的实施例中，通过反应离子刻蚀法形成圆形通孔40。

S4、由通孔对衬底10进行释放，形成隔热腔体100，如图6所示；

具体地，可通过湿法腐蚀或干法刻蚀等方法形成隔热腔体100；需要说明的是，在图8所示的实施例一中，隔热腔体100形成于单晶硅衬底10中；在图9所示的实施例二中，隔热腔体100形成于SOI衬底10的顶层硅中；在图10所示的实施例三中，隔热腔体100形成于单晶硅衬底10上的牺牲层90中；在本发明的三个实施例中，均采用XeF₂各向同性干法刻蚀的方法形成隔热腔体100。

S5、采用低压力化学气相沉积的方法形成第二介质层50，覆盖加热元件31、感温元件32、金属电极33及通孔40，并使隔热腔体100形成真空密闭状态，如图7所示；

具体地，第二介质层50的材料为氧化硅、氮化硅的一种或两种，通过低压力化学气相沉积的方法形成；在本发明的实施例中，第二介质层50的材料为低压力化学气相沉积法形成的氧化硅。

需要说明的是，通过低压力化学气相沉积法使隔热腔体100形成真空密闭状态的原理是：一方面，低压力沉积过程会使隔热腔体100中的气体密度减小，另一方面，通过该方法形成的介质层材料会在通孔40处发生“保形效应”，最终将通孔40密闭。

S6、对第二介质层50进行局部刻蚀，以形成接触孔60，暴露出部分金属电极33，如图8-图10所示；

具体地，可采用等离子刻蚀、离子束刻蚀、反应离子刻蚀等方法形成接触孔70，其形状包括但不限于圆形、矩形及十字花形的一种；在本发明的实施例中，通过反应离子刻蚀法形成矩形通孔40。

如上，本发明的基于MEMS技术制造的热温差式流量传感器，具有体积小、响应快、功耗低、稳定性高等优点，且制备过程简单，可控性强，与现行成熟的微加工工艺兼容；相比现有流量传感器中常见的隔热腔体，本发明基于低压力化学气相沉积法中的“保形效应”形成真空密闭隔热腔体，可有效减少加热元件的热损失，进而在上下游感温元件之间产生更大的温度差，其原因包括两方面：一是气体密度的减小使气体分子的碰撞概率降低，通过气体分子碰撞传递的热量也将减少，即，隔热腔体的隔热性能得到进一步提高；二是通孔密闭可避免被测流体与隔热腔体之间发生热对流，从而大大减少对流热损失。因此，本发明的具有真空密闭隔热腔体的MEMS流量传感器可有效降低功耗，提高灵敏度。

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 (8)

1.一种真空隔热的MEMS流量传感器，其特征在于，包括：

衬底，设有隔热腔体，所述隔热腔体由所述衬底的上表面向内凹入形成；所述衬底上表面沉积有一层牺牲层，所述隔热腔体设于牺牲层中，由牺牲层的上表面向内凹入形成；所述牺牲层的材料为氧化硅、氮化硅、多晶硅、非晶硅中的一种；

第一介质层，形成于所述衬底的上表面，其上通过局部刻蚀形成均匀分布的若干通孔；

加热元件，形成于所述第一介质层的上表面，且局部位于所述隔热腔体的上方；所述加热元件的材料为P型多晶硅、N型多晶硅、金属中的一种；

感温元件，形成于所述第一介质层的上表面，对称分布在所述加热元件的两侧，且局部位于所述隔热腔体的上方；

金属电极，形成于所述第一介质层的上表面；

第二介质层，通过低压力化学气相沉积的方法形成，覆盖所述加热元件、感温元件、金属元件及通孔，设置通孔的宽度，最终将通孔密闭，使所述隔热腔体形成真空密闭状态，且所述第二介质层上通过局部刻蚀形成暴露出部分金属电极的接触孔。

2.根据权利要求1所述的一种真空隔热的MEMS流量传感器，其特征在于，所述衬底为半导体衬底，包括硅衬底、锗衬底、SOI衬底、GeOI衬底中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种真空隔热的MEMS流量传感器，其特征在于，所述第一介质层的材料为氧化硅、氮化硅的一种或两种组合。

4.根据权利要求1所述的一种真空隔热的MEMS流量传感器，其特征在于，所述感温元件为热敏电阻或热电堆；其中，热敏电阻的材料为具有正/负温度系数的金属，热电堆的材料为P型多晶硅/N型多晶硅的组合，或P型多晶硅/金属的组合，或N型多晶硅/金属的组合。

5.根据权利要求1所述的一种真空隔热的MEMS流量传感器，其特征在于，所述金属电极的材料为钛、钨、铬、铂、铝、金中的一种或多种组合。

6.根据权利要求1所述的一种真空隔热的MEMS流量传感器，其特征在于，所述通孔形状包括圆形、矩形及十字花形中的一种。

7.根据权利要求1所述的一种真空隔热的MEMS流量传感器，其特征在于，所述第二介质层的材料为低压力化学气相沉积法形成的氧化硅或氮化硅。

8.一种如权利要求1所述的真空隔热的MEMS流量传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、提供一衬底，于所述衬底上形成第一介质层；

S2、于所述第一介质层上形成加热元件、感温元件及金属电极；

S3、对所述第一介质层进行局部刻蚀，形成均匀分布的通孔；

S4、由所述通孔对衬底进行释放，形成隔热腔体；

S5、采用低压力化学气相沉积的方法形成第二介质层，覆盖所述加热元件、感温元件、金属电极及通孔，并使隔热腔体形成真空密闭状态；

S6、对所述第二介质层进行局部刻蚀，以形成接触孔，暴露出部分所述金属电极。

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