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一种微细加工的热式流量传感器及其制造方法技术

技术编号:2536208 阅读:209 留言:0更新日期:2012-04-11 18:40
本发明专利技术提供一种热式流量传感器及其制造方法,该传感器主要包括加热元、测温无以及其所依附的低导热载体。本发明专利技术的特征在于所说的载体为岛形单晶硅膜,玻璃片通过聚酰亚胺膜对硅膜进行支撑。所说的加热元和测温元由硅膜形成,并且处在聚酰亚胺的覆盖面上。器件与外电路的连接通过布置在聚酰亚胺膜上的金属条和压焊块实现。本发明专利技术的优点主要是体积小,响应快,灵敏度高,功耗低,机械强度大,防腐蚀和防磨损能力强,安装容易,使用方便,制造工艺简单,可在标准的集成电路线上进行批量生产,因而生产成本很低。(*该技术在2016年保护过期,可自由使用*)

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术是关于流量传感器,特别是关于微细加工的热式流量传感器。微细加工的热式流量传感器是在集成电路的基础上发展起来的,与传统的同类传感器相比,这种传感器具有许多显著的优点,主要是体积小、响应快,灵敏度高,成本低,便于实现集成化,多功能化和智能化等,因此其应用范围更宽、更广、更普及。微细加工的热式流量传感器已有许多报导,最常见的一种如附图说明图1所示。该传感器的主要部份为两头固定在硅片上的矩形硅膜,硅膜的中央配置有一加热器件,加热器件的两侧各排列一热电堆,热偶的热结接近加热器件,冷结处在硅膜两头的硅片上,硅膜的两侧和底部都被挖空,以实现硅膜对硅片的热隔离。这种传感器的主要优点是热惯性小,热损耗低,容易用标准的集成电路工艺制造,存在的困难是硅膜脆弱易损,影响器件工作寿命,器件表面与流体接触容易污染,影响器件性能,流体经过的表面有比较深的凹坑,干扰流场,影响测量精度等。另一种常见的微细加工的热式流量传感器如图2A和图2B所示。该传感器的硅片腐蚀成两条平行的硅梁,每条硅梁的上面都布置一金属薄膜电阻器,其中一电阻器对所在的硅梁进行加热,并测其温度升高,另一电阻器测量环境温度,用以对测得的硅梁加热温度进行补偿。这种传感器的主要优点是硅梁比硅膜坚固,可耐比较高的流速冲击和流体夹杂固体物质的轰击,存在的主要问题是热惯性比较大,所消耗的电功率比较高,制造时须对硅的两面进行加工,不易实现集成等。第三种常见的微细加工热式流量传感器(如图3所示)由两块硅片粘接而成,其中用作器件的硅片由一环形氧化多孔硅槽分割成两部分,中间圆形部分中心设置加热器件,周围设置测量器件,硅片的背面腐蚀成凹坑,凹坑的底部很薄,上述的器件处在这一薄膜的上面。另一用作盖板的硅片腐蚀成两个凹坑,其中的一个正好罩住器件硅片的加热器件,另一凹坑罩住器件硅片的测温器件。该传感器的主要优点是,流体从器件硅片的背面经过,避免了器件受流体污染,氧化多孔硅槽增大了硅膜的横向热阻,有利降低传感器的功耗。主要缺点是结构很复杂,加工要求很高,很难在标准的集成电路生产线上实施。本专利技术的目的是提供一种热式流量传感器,其加热元和测温元由横向热阻非常大的岛形单晶硅膜形成,硅膜通过有机膜由刚性基片支撑,保证硅膜具有足够的机械强度,以最大限度地发挥微细加工的热式流量传感器的优势。本专利技术的第二个目的是提供一种热式流量传感器,流体经过的传感器表面是硅膜的非器件所在面,且表面平坦,没有凹进的空腔和空槽,以免干扰流场分布。本专利技术的第三个目的是提供一种热式流量传感器,其接触流体的表面可以涂敷防腐蚀和防磨损的材料,以提高传感器的使用寿命。本专利技术的第四个目的是提供一种热式流量传感器,其用作低导热的硅微结构可在其器件制造的最后一道工序中完成,在此之前的加工均为平面加工工艺,以减少加工过程中的损耗,提高成品率。为了实现上述目的以及其它目的,本专利技术设计的热式流量传感器如图4A和图4B所示。该传感器包括玻璃片,起机械支撑作用,聚酰亚胺膜,起粘接和钝化作用,岛形单晶硅膜,是器件的制作材料,被聚酰亚胺膜复盖的硅膜的中心是加热电阻器,两侧各排列一热电堆。金属互连从硅膜伸出,沿着聚酰亚胺膜表面布置,在玻璃片的边缘与压焊金属块相连。硅膜的暴露面复盖有Si3N4膜,压焊块在焊上金属引条后由树脂保护(图中未画出)。传感器工作时,电流经加热电阻器产生焦耳热,热量的第一部分用来提高硅膜的温度,第二部分通过周围介质热导传走,第三部分通过流经表面的流体传走。硅膜温度升高的大小取决于后两部分热量损失的大小。本专利技术的传感器设计主要是减小介质热导传走的部分,增大流体传走的部分,以突出硅膜的升温与流体流速的依赖关系。聚酰亚胺的热导率为0.17W/m·k,玻璃的热导率为1.4W/m·k,水汽热生长SiO2的热导率为2.1W/m·k,单晶硅的热导率为1.5×102W/m·k,可以算出聚酰亚胺的热导率比硅大881倍,比水汽热生长的SiO2小11倍,玻璃的热导率比硅小106倍,比水汽热生长的SiO2小0.5倍。因此本专利技术用聚酰亚胺和玻璃作为硅膜的隔热材料可以极大地降低热量由硅膜支撑结构传走的热量。聚酰亚胺是集成电路中广泛应用的钝化膜材料,在310℃至343℃范围内能保持良好的机械性能和电性能,还有优良的耐辐射性能,不溶于有机溶剂。聚酰亚胺的热膨胀系数为2×10-6/k,与硅的2.6×10-6/k很接近。聚酰亚胺的杨氏模量为3×104g/cm2,比硅的1.9×109g/cm2小5个数量级,可见用一定厚度的聚酰亚胺膜作缓冲层,几乎不产生对硅膜的热失配应力。在详细介绍本专利技术提供的热式流量传感器制造方法之前,先对附图进行说明,并且规定图中代码所表示的含义。图1表示的是第一种现有技术提供的热式流量传感器的横截面图。图中的代码为101-P-型硅片,102-n-型硅外延层,103-SiO2层,104-加热电阻器,105-热偶堆,106-金属接触与互连。图2表示的是第二种现有技术提供的热式流量传感器的A-顶视图,B-侧向横截面图。图中的代码为201-硅片,202-硅梁,203-SiO2层,204-镍丝,205-SiNx层,206-压焊块,207-加热硅梁,208-温度参考梁。图3表示的是第三种现有技术提供的热式流量传感器的横截面图。图中的代码为301-器件硅片,302-器件硅片的凹坑,303-加热元,304-测温元,305-氧化多孔硅环,306-盖片硅片,307-盖片硅片上的凹坑1,308-盖片硅片上的凹坑2。图4表示的是本专利技术提供的热式流量传感器的A-顶视图,B-横截面图。图中的代码为401-复盖聚酰亚胺膜的玻璃基片,402-岛形单晶硅膜,403-加热电阻器,404-热电堆,404A-热电堆的半导体电极,404B-热电堆的金属电极,405-金属互连,406-压焊块,407-高温淀积的Si3N4层,408-SiO2层,409-聚酰亚胺膜,410-玻璃基片,411-低温淀积的Si3N4层。图5-图14表示的是本专利技术提供的热式流量传感器制造方法在各制造楷段芯片的横截面图。图中的代码为501-P-型硅片,502-SiO2层,503-n-型硅区,504-P+型扩散区,505-高温Si3N4层,506-Al条,507-Al压焊块,508-聚酰亚胺层,509-多孔硅层,510-玻璃片,511-低温Si3N4层。图15表示的是本专利技术提供的第二种热式流量传感器的横截面图。图中的代码为601-加热元的n-型硅岛,602-测温元的n-型硅岛,603-加热元,604-测温元,605-SiO2层,606-高温Si3N4层,607-压焊块,608-聚酰亚胺层,609-玻璃片,610-低温Si3N4层。下面参照图5-图14对本专利技术提供的热式流量传感器的制造方法进行详细说明。制造步骤1如图5所示,制造所用的起始硅片为晶向(100),P-型硼掺杂,电阻率10Ωcm,尺寸4英时,片厚500μm,单面抛光。硅片用标准的清洗工艺进行清洗后,在1000℃进行水汽热氧化,形成厚6500A的SiO2层。采用标准的光刻腐蚀工艺在SiO2层中形成离子注入窗口,腐蚀SiO2用稀释的HF溶液。离子注入前,硅片在1000℃再次进行水汽热氧化,在离子注入窗口中形成厚700A的SiO2层。注入的离本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热式流量传感器,主要包括加热元,测温元,以及所依附的低导热载体,本专利技术的特征在于所说的载体为涂有有机膜的刚性基片支撑的岛形单晶硅膜,所说的加热元和测温元处在硅膜与有机膜相结合的面上,接触流体的硅膜面淀积有防腐蚀和防磨损的薄膜。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员:涂相征
申请(专利权)人:李韫言
类型:发明
国别省市:11[中国|北京]

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