一种高灵敏度的MEMS流量传感器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种高灵敏度的MEMS流量传感器，该流量传感器包括：衬底，设有隔热腔体，由衬底的上表面或下表面向内凹入形成；第一、第二介质层，依次形成于衬底的上表面，且第一、第二介质层在隔热腔体上方向上弯曲；加热元件及感温元件，形成于第二介质层的上表面；绝缘层，覆盖加热元件及感温元件，且局部刻蚀出接触孔；金属层，形成于绝缘层上，部分金属层通过接触孔与加热元件及感温元件连接。本实用新型专利技术通过在第一、第二介质层上预加压应力，使其在隔热腔体释放后发生形变，形成弯曲状的悬浮膜，以此来实现加强对流效果、提高换热效率的目的，从而增大上下游感温元件之间的温差，有效提高器件的灵敏度。有效提高器件的灵敏度。有效提高器件的灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种高灵敏度的MEMS流量传感器


[0001]本技术属于流量测量
，特别涉及一种高灵敏度的MEMS流量传感器。

技术介绍

[0002]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。
[0003]MEMS热温差式流量传感器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表面温度高于环境温度，当无气体流动时，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气体流量。
[0004]灵敏度是流量传感器最重要的指标之一，为提高MEMS热温差式流量传感器的灵敏度，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耗散；采用具有更高塞贝克系数的热电材料；采用更大的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，上述方法均不能满足对高灵敏度的要求。因此，流量传感器的灵敏度亟需得到进一步提高。
[0005]如上所述，MEMS热温差式流量传感器是通过测量因气体流动而造成的温度变化来反映气体流量的，其中起主要作用的是气体流动时产生的强迫对流传热。因此，可通过改变悬浮膜的状态来加强对流效果、提高换热效率，进而提高流量传感器的灵敏度。

技术实现思路

[0006]为解决上述技术问题，本技术提供了一种高灵敏度的MEMS流量传感器，以达到加强对流效果，提高换热效率，进一步提高流量传感器的灵敏度的目的。
[0007]为达到上述目的，本技术的技术方案如下：
[0008]一种高灵敏度的MEMS流量传感器，包括：
[0009]衬底，设有隔热腔体，由所述衬底的上表面或下表面向内凹入形成；
[0010]第一介质层及第二介质层，依次形成于所述衬底的上表面，且所述第一介质层及第二介质层在所述隔热腔体上方向上弯曲；
[0011]加热元件及感温元件，形成于所述第二介质层的上表面，所述感温元件分布于所述加热元件的两侧，且所述加热元件及所述感温元件局部位于所述隔热腔体的上方；
[0012]绝缘层，覆盖所述加热元件及所述感温元件，且局部刻蚀出接触孔；
[0013]金属层，形成于所述绝缘层上，部分金属层通过所述接触孔与所述加热元件及所述感温元件连接。
[0014]上述方案中，所述衬底采用单抛或双抛的半导体衬底，包括硅衬底、锗衬底、SOI衬底、GeOI衬底中的一种。
[0015]上述方案中，所述第一介质层采用热氧化硅或PECVD氧化硅；第二介质层采用PECVD氮化硅。
[0016]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。
[0017]上述方案中，所述感温元件为对称分布在所述加热元件两侧的两个热电堆，每个热电堆均由第一感温材料层和第二感温材料层组成，所述第一感温材料层和第二感温材料层通过部分所述金属层连接；所述第一感温材料层和第二感温材料层采用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。
[0018]上述方案中，所述绝缘层的材料为氧化硅、氮化硅的一种或两种；所述金属层的材料为钛、钨、铬、铂、铝、金中的一种或多种组合。
[0019]上述方案中，所述隔热腔体的截面形状为矩形、梯形、倒梯形中的一种。
[0020]上述方案中，所述加热元件及感温元件的热端位于所述隔热腔体的上方，所述感温元件的冷端位于所述衬底的上方。
[0021]一种高灵敏度的MEMS流量传感器的制作方法，包括如下步骤：
[0022]S1、提供一衬底，于所述衬底上依次形成具有一定预加压应力的第一介质层及第二介质层；
[0023]S2、于所述第二介质层上形成加热元件和感温元件；
[0024]S3、于所述加热元件和所述感温元件上形成绝缘层，并刻蚀部分绝缘层以形成接触孔；
[0025]S4、于所述绝缘层上形成金属层，部分所述金属层通过所述接触孔与所述加热元件和感温元件连接；
[0026]S5、于所述衬底正面或背面形成释放孔，随后由衬底的上表面或下表面向内凹入进行释放以形成隔热腔体，在预加压应力的作用下，第一介质层与第二介质层发生形变，形成向上弯曲的悬浮膜。
[0027]通过上述技术方案，本技术提供的一种高灵敏度的MEMS流量传感器，具有以下有益效果：
[0028]1、本技术基于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。
[0029]2、与平面悬浮膜相比，本技术由不同材料形成的弯曲状悬浮膜，有利于在上下游感温元件之间形成更大的温差。其原因包括两方面：一是弯曲的悬浮膜可加速上游气体的流动，同时在下游形成缓流区，从而更高效地将热量从上游转移至下游；二是弯曲状悬浮膜具有相对较大的表面积，可显著提高气体分子与芯片表面的换热效率。因此，本技术具有弯曲状悬浮膜的流量传感器的灵敏度得到进一步提高。
附图说明
[0030]为了更清楚地说明本技术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。
[0031]图1为本技术实施例所公开的一种高灵敏度的MEMS流量传感器流程示意图；
[0032]图2a为本技术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；
[0033]图2b为本技术实施例所公开的制备方法中步骤S1制得结构的俯视示意图；
[0034]图3a为本技术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；
[0035]图3b为本技术实施例所公开的制备方法中步骤S2制得结构的俯视示意图；
[0036]图4a为本技术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；
[0037]图4b为本技术实施例所公开的制备方法中步骤S3制得结构的俯视示意图；
[0038]图5a为本技术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；
[0039]图5b为本技术实施例所公开的制备方法中步骤S4制得结构的俯视示意图；
[0040]图6a为本技术实施例一所公开的制备方法中步骤S5制得结构的剖面示意图；
[0041]图6b为本技术实施例一所公开的制备方法中步骤S5制得结构的俯视示意图；
[0042]图7a为本技术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；
[0043]图7b为本技术实施例二所公开的制备方法中步骤S6制得结构的俯视示意图。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高灵敏度的MEMS流量传感器，其特征在于，包括：衬底，设有隔热腔体，由所述衬底的上表面或下表面向内凹入形成；第一介质层及第二介质层，依次形成于所述衬底的上表面，且所述第一介质层及第二介质层在所述隔热腔体上方向上弯曲；加热元件及感温元件，形成于所述第二介质层的上表面，所述感温元件分布于所述加热元件的两侧，且所述加热元件及所述感温元件局部位于所述隔热腔体的上方；绝缘层，覆盖所述加热元件及所述感温元件，且局部刻蚀出接触孔；金属层，形成于所述绝缘层上，部分金属层通过所述接触孔与所述加热元件及所述感温元件连接。2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的MEMS流量传感器，其特征在于，所述衬底采用单抛或双抛的半导体衬底，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所述的一种高灵...

【专利技术属性】
技术研发人员：ꢀ七四专利代理机构，
申请(专利权)人：青岛芯笙微纳电子科技有限公司，
类型：新型
国别省市：