一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器及其制作方法，该传感器，包括：衬底，设有隔热腔体；第一介质层，形成于衬底及隔热腔体上；加热元件及感温元件，形成于第一介质层上，感温元件对称分布于加热元件的两侧，且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，覆盖加热元件及感温元件，且至少部分第二介质层上设有微纳结构；金属层，通过第二介质层中的接触孔与加热元件及感温元件连接。本发明专利技术通过在加热元件和部分感温元件的上方形成微纳结构，可在不改变器件尺寸的前提下增大其表面积，从而加快气体与器件之间的换热效率，提高流量传感器的灵敏度；表面积的增大还有利于提高加热元件的热利用率，从而起到降低功耗的作用。起到降低功耗的作用。起到降低功耗的作用。

【技术实现步骤摘要】
一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器及其制作方法


[0001]本专利技术属于流量测量
，特别涉及一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器及其制作方法。

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、响应速度快等诸多优点而得到广泛应用。
[0003]MEMS热温差式流量传感器的物理基础是热传递，其结构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(热敏电阻或热电堆)。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，气体分子换热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]高灵敏度和低功耗是流量传感器最重要的应用需求及发展方向，为此，人们提出了多种有效的技术方案，如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，流量传感器的灵敏度、功耗等性能亟需得到进一步提高。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器及其制作方法，以达到提高流量传感器的灵敏度，并降低流量传感器的功耗的目的。
[0006]为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器，包括：
[0008]衬底，设有隔热腔体；
[0009]第一介质层，形成于衬底及隔热腔体的上表面；
[0010]加热元件及感温元件，形成于第一介质层的上表面，感温元件对称分布于加热元件的两侧，且加热元件及感温元件局部位于隔热腔体的上方；
[0011]第二介质层，覆盖加热元件及感温元件，且至少部分第二介质层上设有微纳结构；
[0012]金属层，位于第二介质层上，且通过第二介质层上的接触孔与加热元件及感温元件连接。
[0013]上述方案中，所述衬底采用半导体衬底，包括硅衬底、锗衬底、SOI衬底、GeOI衬底中的一种。
[0014]上述方案中，所述隔热腔体由衬底的上表面向内凹入一定深度形成，或由衬底的下表面向内贯穿衬底形成。
[0015]上述方案中，所述第一介质层、第二介质层的材料为氧化硅、氮化硅的一种或两种
组合。
[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、金属的一种。
[0017]上述方案中，所述感温元件采用热敏电阻或热电堆；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。
[0018]上述方案中，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，所述微纳结构位于加热元件及至少部分感温元件的上方，其截面形状包括矩形、三角形、梯形的一种。
[0020]一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器的制作方法，包括如下步骤：
[0021]S1、提供一衬底，于衬底上形成第一介质层；
[0022]S2、于第一介质层上形成加热元件和感温元件；
[0023]S3、于加热元件、感温元件上沉积第二介质层，随后于部分第二介质层上形成微纳结构，所述微纳结构位于加热元件及至少部分感温元件的上方；或者先在加热元件及至少部分感温元件上形成微纳结构，随后沉积第二介质层，此时第二介质层上表面即具有微纳结构；
[0024]S4、于第二介质层上形成接触孔，暴露部分加热元件及感温元件，并于所述接触孔上形成金属层；
[0025]S5、对衬底进行释放，形成隔热腔体。
[0026]上述方案中，所述微纳结构通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法形成。
[0027]通过上述技术方案，本专利技术提供的一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器及其制作方法，具有以下有益效果：
[0028]1、本专利技术基于MEMS技术制造的热温差式流量传感器，具有体积小、精度高、响应速度快等优点，且制作过程简单，可控性强，工艺兼容性高。
[0029]2、本专利技术利用MEMS工艺在流量传感器的加热元件和至少部分感温元件上方形成微纳结构，有利于在不改变尺寸的前提下增大其表面积，从而加快气体分子与器件之间的换热效率，达到提高器件灵敏度的目的；此外，表面积的增大使加热元件产生的热量更多地作用于器件的表面，即有利于提高加热元件的热利用率，从而起到降低功耗的作用。
附图说明
[0030]为了更清楚地说明本专利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为本专利技术实施例一和实施例二所公开的具有微纳结构表面的MEMS流量传感器的制作方法流程示意图；
[0032]图2为本专利技术实施例一和实施例二所公开的制作方法中步骤S1制得结构的剖面示意图；
[0033]图3为本专利技术实施例一和实施例二所公开的制作方法中步骤S2制得结构的剖面示意图；
[0034]图4为本专利技术实施例一所公开的制作方法中步骤S3制得结构的剖面示意图；
[0035]图5为图4的A部分局部放大图；
[0036]图6为本专利技术实施例一所公开的制作方法中步骤S4制得结构的剖面示意图；
[0037]图7为本专利技术实施例一所公开的制作方法中步骤S5制得结构的剖面示意图；
[0038]图8为本专利技术实施例二所公开的制作方法中步骤S3中在加热元件及至少部分感温元件上形成微纳结构的剖面示意图；
[0039]图9为图8的B部分局部放大图；
[0040]图10为本专利技术实施例二所公开的制作方法中步骤S3沉积第二介质层后制得结构的剖面示意图；
[0041]图11为图10的C部分局部放大图；
[0042]图12为本专利技术实施例二所制作的MEMS热温差式流量传感器剖面示意图。
[0043]图中，10、硅衬底；20、第一介质层；30、加热元件；40、感温元件；50、第二介质层；60、微纳结构；70、金属层；80、隔热腔体。
具体实施方式
[0044]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0045]本专利技术提供了一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器，如图7所示，包括：
[0046]衬底10，设有隔热腔体80；
[0047]第一介质层20，形成于衬底10及隔热腔体80的上表面；
[0048]加热元件30及感温元件40，形成于第一介质层20的上表面，感温元件40对称分布于加热元件30的两侧，且加热元件30及感温元件40局部位于隔热本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器，其特征在于，包括：衬底，设有隔热腔体；第一介质层，形成于衬底及隔热腔体的上表面；加热元件及感温元件，形成于第一介质层的上表面，感温元件对称分布于加热元件的两侧，且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，覆盖加热元件及感温元件，且至少部分第二介质层上设有微纳结构；金属层，位于第二介质层上，且通过第二介质层上的接触孔与加热元件及感温元件连接。2.根据权利要求1所述的一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器，其特征在于，所述衬底采用半导体衬底，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所述的一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器，其特征在于，所述隔热腔体由衬底的上表面向内凹入一定深度形成，或由衬底的下表面向内贯穿衬底形成。4.根据权利要求1所述的一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器，其特征在于，所述第一介质层、第二介质层的材料为氧化硅、氮化硅的一种或两种组合。5.根据权利要求1所述的一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器，其特征在于，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。6.根据权利要求1所述的一种具有微纳结构表面的MEMS流量传感器，其特征在于，所述感温元件采用热敏电阻或热电堆；其中，热敏电阻的材...

【专利技术属性】
技术研发人员：田伟，胡国庆，
申请(专利权)人：青岛芯笙微纳电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：