一种气流流量计、MEMS硅基温敏芯片及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种MEMS硅基温敏芯片，包括基底、阻热支撑层、温漂校准温敏电阻和气流感应温敏电阻，基底包括实体部分和第一通孔，第一通孔位于实体部分的中部，阻热支撑层连接在基底和气流感应温敏电阻之间，阻热支撑层位于基底的上方，位于实体部分的上方的阻热支撑层上开设有凹槽，温漂校准温敏电阻包括第一压焊图形和若干条温漂校准温敏电阻丝，第一压焊图形位于阻热支撑层的凹槽内，温漂校准温敏电阻丝设置在阻热支撑层的内部，并位于基底的实体部分的上方，气流感应温敏电阻包括第二压焊图形和若干条气流感应温敏电阻丝，第二压焊图形连接在阻热支撑层上，并位于实体部分的上方，气流感应温敏电阻丝连接在阻热支撑层上，并位于第一通孔的上方。

A Gas Flow Meter, MEMS Silicon-based Thermosensitive Chip and Its Preparation Method

The invention provides a silicon-based thermosensitive chip of a micro-electro-mechanical system, which comprises a substrate, a thermal resistance support layer, a temperature drift calibration thermosensitive resistance and a gas flow induction thermosensitive resistance. The substrate comprises a solid part and a first through hole, the first through hole is located in the middle of the solid part, the thermal resistance support layer is connected between the base and the gas flow induction thermosensitive resistance, and the thermal resistance support layer is located above the base and above the solid part. A groove is arranged on the thermal resistance support layer. The temperature drift calibration thermistor includes the first piezoelectric welding pattern and several temperature drift calibration thermistor wires. The first piezoelectric welding pattern is located in the groove of the thermal resistance support layer. The temperature drift calibration thermistor wires are located inside the thermal resistance support layer and above the solid part of the base layer. The gas flow induced thermistor includes the second piezoelectric welding pattern and several wires. The gas flow induction thermistor wire is connected with the second pressure welding pattern on the heat-resisting support layer and is located above the solid part. The gas flow induction thermistor wire is connected on the heat-resisting support layer and is located above the first through hole.

【技术实现步骤摘要】
一种气流流量计、MEMS硅基温敏芯片及其制备方法
本专利技术涉及微型电子机械
，尤其涉及一种气流流量计、MEMS硅基温敏芯片及其制备方法。
技术介绍
MEMS(Microelectromechanicalsystems，微型电子机械系统)温敏流量计的基本原理是通过感应温敏材料表面因气流流过引起的温度变化来计量流体的流速。该类器件的核心结构为微型的温敏电阻丝。该电阻丝需要具有较高的电阻温敏系数数值以及线性的电阻随温度变化的规律。由于铂的体材料(bulkmaterial)具有较高的电阻温敏系数(TCR(Temperaturecoefficientofresistance，电阻温敏系数)＝3.8×10-3/℃)，因此，铂金属常被用于加工温敏流量计的温敏电阻丝。该种温敏电阻丝工作时需要通电加热到一定温度，当气体流过加热的铂电阻丝表面时，散热作用会引起铂电阻丝结构的温度变化，从而引起温敏电阻丝的电阻变化，因此，可以利用这一原理测量气体的流速。随着IC工艺技术发展至今，衍生出利用半导体材料的工艺技术设计、加工各类传感器的方法。而基于这种半导体材料的微纳工艺技术加工出来的器件及其应用系统，称为MEMS，由这种工艺技术加工出的微纳结构尺寸更小、成本更低、灵敏度更高。目前，基于MEMS技术设计的温敏型流量传感器主要有：热损失型(hotwire)和温差式流量计/风速仪(differentialcalorimeter/anemometer)。单个加热温敏电阻丝芯片独立工作时为热损失型流量计。当两个温敏电阻丝共同工作、相互感应测量流体流速时组成的温敏流量计为温差式流量计/风速仪。温差式流量计中的温敏芯片通常由铂温敏电阻丝、带小通孔阵列的阻热薄膜、带大通孔的基底三个主要部分组成，其主要通过温敏芯片感应气流对流引起的热损失来计量气流流速和方向。因而，保证温敏芯片的灵敏度的主要因素在于提高芯片对气流对流散热的感应，而抑制其他渠道的热损失。温敏芯片表面的热损失的来源除了气流对流(convection)以外，还有热导(conduction)和热辐射(radiation)二种。因此，该芯片的材料和结构设计需要使其对气流对流的热损失敏感，而抑制其热导和热辐射引起的热损失。而芯片表面的热辐射主要与材料种类有关，在设计一致的情况下，其热辐射引起的两芯片间温度差异可以忽略不计。该类芯片的热导引起的热损失是影响该温敏芯片灵敏度的主要原因。设U为传导的热量，k为介质材料的热传导率，A为介质材料的横截面积，Δx为导热介质材料长度，根据公式U＝kA/Δx可以看出，介质材料传导的热量与传导介质的横截面成正比关系、与传导的长度成反比关系。因此，可以通过结构设计优化热传导造成的损失。日本Horiba公司在专利US6320192B1中公开了一种红外分析仪用探测器、流量探测器及其制造方法，提出了一般采用例如MgO(85％的热导率为0.067W/mK)，或者可采用玻璃(热导率0.95～1.4W/mK)或石英等热绝缘性较好的材料作为温度器件的基底材料。但是这种材料成本较高，刻蚀难度大，不易控制图形精度，加工稳定性差，不易于批量加工。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种高灵敏度的MEMS硅基温敏芯片，还提供了一种工艺简单的MEMS硅基温敏芯片的制备方法及一种可以测量气体流量大小和方向的气流流量计。本专利技术提供一种MEMS硅基温敏芯片，包括基底、阻热支撑层、温漂校准温敏电阻和气流感应温敏电阻，所述基底包括实体部分和第一通孔，所述第一通孔位于实体部分的中部，所述阻热支撑层连接在基底和气流感应温敏电阻之间，所述阻热支撑层位于基底的上方，位于基底的实体部分的上方的阻热支撑层上开设有凹槽，所述温漂校准温敏电阻包括用于压焊的第一压焊图形和若干条温漂校准温敏电阻丝，所述第一压焊图形和温漂校准温敏电阻丝串联，所述第一压焊图形位于阻热支撑层的凹槽内，所述温漂校准温敏电阻丝设置在阻热支撑层的内部，并位于基底的实体部分的上方，所述气流感应温敏电阻包括用于压焊的第二压焊图形和若干条气流感应温敏电阻丝，所述第二压焊图形和气流感应温敏电阻丝串联，所述第二压焊图形连接在阻热支撑层上，并位于基底的实体部分的上方，所述气流感应温敏电阻丝连接在阻热支撑层上，并位于基底的第一通孔的上方。进一步地，所述基底为单晶硅晶圆，所述基底的厚度为300微米。进一步地，位于所述基底的第一通孔的上方的阻热支撑层上设有若干第二通孔而形成悬臂梁，所述悬臂梁包括四个悬臂，所述悬臂的形状为长宽比大于1的L型或圆心角为90度的圆弧。进一步地，所述温漂校准温敏电阻丝和第一压焊图形由铂制得，所述温漂校准温敏电阻丝的阻值为600～1000欧姆，电阻温敏系数为2.8×10-3～3.4×10-3/℃，所述第一压焊图形为边长不超过1mm的正方形或直径不超过1mm的圆形。进一步地，所述气流感应温敏电阻丝和第二压焊图形均由铂制得，所述气流感应温敏电阻丝的阻值为200～300欧姆，电阻温敏系数为2.8×10-3～3.4×10-3/℃，所述第二压焊图形为边长不超过1mm的正方形或直径不超过1mm的圆形。本专利技术还提供一种MEMS硅基温敏芯片的制备方法，包括以下步骤：S1，通过热氧法在基底的表面生长二氧化硅层；S2，通过低压化学气相沉积法在所述二氧化硅层上形成第一介质层；S3，在第一介质层上制备铂层以形成温漂校准温敏电阻，所述温漂校准温敏电阻包括第一压焊图形和若干条温漂校准温敏电阻丝，所述温漂校准温敏电阻丝与第一压焊图形串联；S4，通过低压化学气相沉积法在第一介质层上沉积第二介质层；S5，在第二介质层上制备铂层以形成气流感应温敏电阻，所述气流感应温敏电阻包括第二压焊图形和若干条气流感应温敏电阻丝，所述气流感应温敏电阻丝和第二压焊图形串联；S6，利用氧气干法刻蚀刻穿二氧化硅层、第一介质层和第二介质层；S7，利用氧气干法刻蚀刻穿第一压焊图形位置处的第二介质层，露出温漂校准温敏电阻的第一压焊图形；S8，利用湿法刻蚀刻穿二氧化硅层正下方的基底，释放悬臂梁。进一步地，所述二氧化硅层的厚度为1～2微米，所述第一介质层的厚度为1～2微米，所述第二介质层的厚度为1～2微米，所述第一介质层和第二介质层的材料为氮化硅或氮化硅与二氧化硅的混合物。进一步地，所述第一介质层上制备的铂层的厚度为300纳米或500纳米。进一步地，所述第二介质层上制备的铂层的厚度为300纳米或500纳米。本专利技术还提供一种气流流量计，包括上述MEMS硅基温敏芯片或利用上述制备方法制备的MEMS硅基温敏芯片，所述MEMS硅基温敏芯片的数量为两个且结构尺寸一致，所述两个MEMS硅基温敏芯片以气流感应温敏电阻丝镜面对称的方式平行相对，所述两个MEMS硅基温敏芯片之间放置300微米厚的PCB板作为感应距离的隔板。本专利技术提供的技术方案带来的有益效果是：(1)本专利技术提供的MEMS硅基温敏芯片基于单晶硅晶圆进行加工，更适用于量产，有利于降低单个芯片的成本；(2)本专利技术提供的MEMS硅基温敏芯片通过形成500纳米厚的气流感应温敏电阻，将气流感应温敏电阻的电阻温度系数保持在2.8×10-3～3.4×10-3/℃，有效提高了芯片的温度感应灵敏度；(3)本专利技术提供的MEMS硅基温敏芯片通过阻热支撑层的材料选择本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MEMS硅基温敏芯片，其特征在于，包括基底、阻热支撑层、温漂校准温敏电阻和气流感应温敏电阻，所述基底包括实体部分和第一通孔，所述第一通孔位于实体部分的中部，所述阻热支撑层连接在基底和气流感应温敏电阻之间，所述阻热支撑层位于基底的上方，位于基底的实体部分的上方的阻热支撑层上开设有凹槽，所述温漂校准温敏电阻包括用于压焊的第一压焊图形和若干条温漂校准温敏电阻丝，所述第一压焊图形和温漂校准温敏电阻丝串联，所述第一压焊图形位于阻热支撑层的凹槽内，所述温漂校准温敏电阻丝设置在阻热支撑层的内部，并位于基底的实体部分的上方，所述气流感应温敏电阻包括用于压焊的第二压焊图形和若干条气流感应温敏电阻丝，所述第二压焊图形和气流感应温敏电阻丝串联，所述第二压焊图形连接在阻热支撑层上，并位于基底的实体部分的上方，所述气流感应温敏电阻丝连接在阻热支撑层上，并位于基底的第一通孔的上方。

【技术特征摘要】
1.一种MEMS硅基温敏芯片，其特征在于，包括基底、阻热支撑层、温漂校准温敏电阻和气流感应温敏电阻，所述基底包括实体部分和第一通孔，所述第一通孔位于实体部分的中部，所述阻热支撑层连接在基底和气流感应温敏电阻之间，所述阻热支撑层位于基底的上方，位于基底的实体部分的上方的阻热支撑层上开设有凹槽，所述温漂校准温敏电阻包括用于压焊的第一压焊图形和若干条温漂校准温敏电阻丝，所述第一压焊图形和温漂校准温敏电阻丝串联，所述第一压焊图形位于阻热支撑层的凹槽内，所述温漂校准温敏电阻丝设置在阻热支撑层的内部，并位于基底的实体部分的上方，所述气流感应温敏电阻包括用于压焊的第二压焊图形和若干条气流感应温敏电阻丝，所述第二压焊图形和气流感应温敏电阻丝串联，所述第二压焊图形连接在阻热支撑层上，并位于基底的实体部分的上方，所述气流感应温敏电阻丝连接在阻热支撑层上，并位于基底的第一通孔的上方。2.如权利要求1所述的MEMS硅基温敏芯片，其特征在于，所述基底为单晶硅晶圆，所述基底的厚度为300微米。3.如权利要求1所述的MEMS硅基温敏芯片，其特征在于，位于所述基底的第一通孔的上方的阻热支撑层上设有若干第二通孔而形成悬臂梁，所述悬臂梁包括四个悬臂，所述悬臂的形状为长宽比大于1的L型或圆心角为90度的圆弧。4.如权利要求1所述的MEMS硅基温敏芯片，其特征在于，所述温漂校准温敏电阻丝和第一压焊图形由铂制得，所述温漂校准温敏电阻丝的阻值为600～1000欧姆，电阻温敏系数为2.8×10-3～3.4×10-3/℃，所述第一压焊图形为边长不超过1mm的正方形或直径不超过1mm的圆形。5.如权利要求1所述的MEMS硅基温敏芯片，其特征在于，所述气流感应温敏电阻丝和第二压焊图形均由铂制得，所述气流感应温敏电阻丝的阻值为200～300欧姆，电阻温敏系数为2.8×10-3～3.4×10-3/℃，所述第二压焊图形为边长不超过1mm的正方形或直...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊友辉，黄成军，李丽，郭楠，
申请(专利权)人：武汉四方光电科技有限公司，中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42