一种基于MEMS工艺的热温差式流量传感芯片及其制备方法

技术领域

本发明属于传感器芯片的技术领域，具体涉及一种基于MEMS工艺的热温差式流量传感芯片及其制备方法。

背景技术

流量传感器在生产生活以及科学实验计量中有着至关重要的地位，现阶段产品研发中对流量检测准确度与测量范围的要求愈来愈高。流量检测的技术也是复杂多变的，根据各种应用测量场所、不同的流体条件，要求特定的流量传感器。流量传感器的精度、稳定性以及对极端环境的适应性是衡量其品质的重要特征。

MEMS(微机电系统,Micro-Electro-Mechanical System)热温差式流量传感芯片的理论依据为托马斯提出的“气体的放热量与吸热量与该气体的质量流量成正比”，其测量过程为：通过外部电流对热源电阻进行加热形成等温线圈，通过温感电阻感知流体流动而引起的温度场变化来计量流体质量流量。

热温差式流量传感芯片的流量测量结构是由陶瓷薄膜层、热源电阻和流量测量温感电阻组成，其主要是通过流量测量温感电阻感应流体流动引起的热损失来计量流体流量，因此为提高温感电阻对于流体对流热损失的感知度，需要抑制热源电阻表面的其他热损失：热传导和热辐射。其中，热传导为主要影响因素，特别是固体导热，因此采用导热性差的材料和类似悬空结构可有效的抑制热传导；热辐射难以有效隔断，可采用温感电阻对称设计的方法抵消热辐射的影响。所测量的外部温度主要外部干扰为：热源电阻自身热量分布和温感电阻感知温度。为更好消除外部干扰，可设置不同的温感元件分别对两个因素进行测量。

而现有的MEMS传感芯片存在成型误差，由于材料不均匀性、工艺不稳定性、设备精度限制和设计局限性等影响因素将导致芯片的结构尺寸、位置形状等参数与设计要求无法完美匹配，从而严重影响了芯片的性能和成品率。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种基于MEMS工艺的热温差式流量传感芯片及其制备方法，以解决现有MEMS热温差式流量传感芯片的测量精度低，抗干扰性差，芯片成品率低的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

第一方面，一种基于MEMS工艺的热温差式流量传感芯片，其包括硅基底；硅基底包括硅晶圆结构；硅晶圆结构的中部设有空腔结构；硅晶圆结构的两侧开设有若干个深孔结构，若干个深孔结构用以连接所述硅晶圆结构的上下表面；

空腔结构的底部设有环境校准温感电阻；硅基底的上方设有用于覆盖空腔结构的硅晶体薄膜层，硅晶体薄膜层的上方设有陶瓷薄膜层；陶瓷薄膜层的中部开设有用于连接空腔结构的连接缝隙，陶瓷薄膜层上设有两组流量测量温感电阻、热源电阻和风速校准温感电阻；

硅基底的背面两侧设有连接电极；连接电极通过深孔结构内的连接线将热源电阻、流量测量温感电阻、环境校准温感电阻和风速校准温感电阻并联设置。

进一步地，两组流量测量温感电阻沿着热源电阻两侧对称分布；风速校准温感电阻设置在陶瓷薄膜层上方且位于流道进气端的一侧。

进一步地，热源电阻和环境校准温感电阻的一端并入其中一个连接电极，流量测量温感电阻和风速校准温感电阻的一端并入另一个连接电极。

进一步地，陶瓷薄膜层上方设有封装流道；封装流道分别与热源电阻、流量测量温感电阻、环境校准温感电阻和风速校准温感电阻平行设置。

第二方面，一种基于MEMS工艺的热温差式流量传感芯片的制备方法，包括以下步骤：

S1、采用直流磁控溅射工艺在硅基底的表面沉积出环境校准温感电阻，并采用MOCVD工艺在硅基底的表面生长形成硅晶体薄膜层；

S2、采用各向同性湿法蚀刻工艺在所述硅晶体薄膜层向下蚀刻出空腔结构；

S3、采用LPCVD在所述空腔结构内生长出SiO

S4、采用直流磁控溅射工艺在所述陶瓷薄膜层的表面沉积出流量测量温感电阻和风速校准温感电阻；

S5、采用干法蚀刻在所述陶瓷薄膜层上蚀刻出连接缝隙和深孔结构，所述连接缝隙和深孔结构贯穿所述陶瓷薄膜层；

S6、采用直流磁控溅射工艺在所述陶瓷薄膜层的表面沉积出热源电阻；

S7、采用刻蚀工艺去除空腔结构中的SiO

S8、采用直流磁控溅射工艺在在硅基底背面沉积出连接电极；

S9、采用键合工艺将封装流道对流量传感芯片进行封装，以构造得到传感芯片。

进一步地，步骤S1具体包括：

在真空环境中采用直流磁控溅射工艺在硅基底表面沉积出微米量级的薄膜电阻栅结构Cr/Pt薄膜层，即沉积出环境校准温感电阻；并采用MOCVD在晶圆表面生长Si晶体，并对Si晶体进行化学机械抛光得到硅晶体薄膜层。

进一步地，步骤S3具体包括：

在真空环境中采用LPCVD工艺在晶圆表面生长SiO

进一步地，步骤S7具体包括：

采用正胶光刻在所述陶瓷薄膜层表面形成缝隙图案，结合HF和NH

进一步地，步骤S8具体包括：

采用正胶光刻在硅基底背面的表面形成连接电极图案；在真空环境中采用直流磁控溅射工艺在所述连接电极图案所在的晶圆表面沉积出连接电极结构Cr/Pt薄膜层，并采用直流磁控溅射工艺在晶圆表面沉积出连接电极结构Cr/Au薄膜层，以形成连接电极。

进一步地，步骤S9具体包括：

在晶圆表面涂覆一层厚胶，光刻显影后得到制作沟道的模具，在模具上浇灌阻热材料，室温放置后剥离得到气流沟道；采用电连接方法将制造的所述气流沟道与芯片进行对准密封，构造得到热温差式流量传感芯片。

本发明提供的基于MEMS工艺的热温差式流量传感芯片及其制备方法，具有以下有益效果：

1、本发明制备方法制备得到的热温差式流量传感芯片，测量精度高，测量误差小，抗干扰性强，芯片成品率高，具有较强的实用性和推广性。

2、本发明采用硅和特殊陶瓷材料形成复合悬空薄膜，由于硅和陶瓷薄膜的应力可以相互抵消，可有效的避免悬空薄膜在工作过程中由于应力过大而破裂。进一步地，本发明采用绝缘隔热的陶瓷薄膜层承载热源电阻，热源电阻所在的陶瓷薄膜层下方设置空腔结构，左右两侧设置缝隙结构，前后连接部分远离温感电阻，如此设计，可以确保悬空结构具有良好的阻热效果。

3、本发明采用两组流量测量温感电阻对流体流量进行测量；通过各组对称分布的上下游栅格结构的流量测量温感电阻实现了对等温线圈温度变化的精准感知，有效降低了外部干扰，两组与热源电阻距离不同的流量测量温感电阻可针对不同范围的流量进行测量，并通过测量数据耦合，极大的拓展了流量测量范围。

4、本发明为有效降低外部干扰，将热源电阻和环境校准温感电阻设置为相同材料、形状和阻值的电阻，便于外部电路对热源电阻实现恒温差控制，同时铂材料可提高恒温差的时效性；

除此，本发明通过空腔结构和陶瓷薄膜层形成环境校准温感电阻所需的密闭结构，利用连接缝隙进行流体对流，只针对流体温度影响因素进行测量。将流量测量温感电阻和风速校准温感电阻设置为相同材料、形状和阻值，通过耦合可以更有效的消除气流自身物性对于流量测量温感电阻的干扰，同时温感系数较高的NTC材料可更加精准的感知温度变化，有效提高流量测量精度。

5、本发明利用化学机械抛光对硅晶体薄膜层和陶瓷薄膜层进行光滑处理，保证了各电阻形成平面的光滑度。在真空环境下，通过直流磁控溅射工艺，确保各电阻在沉积成形时具有很高的沉积率，成形表面精致细密且均匀，从而形成良好的栅格结构，并具有精准的特征尺寸和垂直的侧壁形貌，使实际加工出来的产品更加符合设计要求。

6、本发明利用一体成型的封面流道对芯片进行密封，有效的保护了芯片的流体测量面，避免被损坏；封面流道采用电连接技术，可实现气密性良好的无缝连接；流道结构与各温感电阻保持水平，位置误差较小，有效的提高了产品的重复性；除此，位于芯片背面的连接电极结构，便于后续与电路板相连，避免出现线路相互干扰或断连的情况。

附图说明

图1为本发明基于MEMS工艺的热温差式流量传感芯片的三维结构图。

图2为本发明基于MEMS工艺的热温差式流量传感芯片的测量表面图。

图3为本发明基于MEMS工艺的热温差式流量传感芯片的空腔结构图。

图4为本发明基于MEMS工艺的热温差式流量传感芯片的背面电极图。

图5为本发明基于MEMS工艺的热温差式流量传感芯片的制备流程示意图。

图6为本发明基于MEMS工艺的热温差式流量传感芯片的制备工艺示意图。

图7为本发明基于MEMS工艺的热温差式流量传感芯片的掩膜版结构图。

其中，1、硅基底；2、封装流道；3、深孔结构；4、陶瓷薄膜层；5、连接线；6、流量测量温感电阻；7、热源电阻；8、风速校准温感电阻；9、空腔结构；10、环境校准温感电阻；11、连接电极。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1

参考图1～图4，本实施例提供一种基于MEMS工艺的热温差式流量传感芯片，本实施例可有效解决现有产品存在的测量精度低，抗干扰性差，芯片成品率低等问题，其具体包括硅基底1、流道封装、陶瓷薄膜层4、流量测量温感电阻6、热源电阻7、风速校准温感电阻8、环境校准温感电阻10和连接电极11；

其中，硅基底1包括硅晶圆结构、空腔结构9和深孔结构3；硅晶圆结构的中部设有空腔结构9，硅晶圆结构的两侧开设有若干个深孔结构3，若干个深孔结构3用以连接硅晶圆结构的上下表面；

环境校准温感电阻10位于空腔结构9底部，硅晶体薄膜层位于硅基底1上方，用于覆盖空腔结构9；

陶瓷薄膜层4位于硅晶体薄膜层上方，连接缝隙位于陶瓷薄膜层4的中部，用于连接陶瓷薄膜层4下方的空腔结构9；

本实施例通过空腔结构9和陶瓷薄膜层4形成环境校准温感电阻10所需的密闭结构，利用连接缝隙进行流体对流，只针对流体温度影响因素进行测量。

热源电阻7和流量测量温感电阻6位于陶瓷薄膜层4上方，两组流量测量温感电阻6沿着热源电阻7对称分布；

本实施例通过各组对称分布的上下游栅格结构的流量测量温感电阻6实现了对等温线圈温度变化的精准感知，有效降低了外部干扰，两组与热源电阻7距离不同的流量测量温感电阻6可针对不同范围的流量进行测量，并通过测量数据耦合，极大的拓展了流量测量范围。

风速校准温感电阻8位于陶瓷薄膜层4上方，且位于流道进气端一侧，连接电极11位于芯片的背面两侧，并通过深孔结构3内的连接线5将热源电阻7、流量测量温感电阻6、环境校准温感电阻10和风速校准温感电阻8并联，热源电阻7和环境校准温感电阻10的一端并入一个连接电极11，流量测量温感电阻6和风速校准温感电阻8的一端并入一个连接电极11。

封装流道2位于陶瓷薄膜层4上方，该封装流道2的流道结构分与热源电阻7、流量测量温感电阻6、环境校准温感电阻10和风速校准温感电阻8保持平行；本实施例利用一体成型的封面流道对芯片进行密封，有效的保护了芯片的流体测量面，避免被损坏。

实施例2

本实施例提供一种基于MEMS工艺的热温差式流量传感芯片的制备方法，参考图5，其具体包括以下步骤：

步骤S1、采用直流磁控溅射工艺在硅基底1的表面沉积出环境校准温感电阻10，并采用MOCVD工艺在硅基底1的表面生长形成硅晶体薄膜层；

具体的，本实施例选择4英寸的Si晶圆(导电类型：高阻，单面抛光)作为流量传感芯片的基底；

在具体操作时：

将硅片脱水烘焙去除圆片表面的潮气，底胶涂覆以增强光刻胶与圆片表面的黏附性；

将光刻胶(正胶)均匀涂抹在圆片表面，利用离心机的作用旋转涂满整个圆片表面，再进行软烘干操作，保证胶厚在1um，厚度均匀性与一致性不超过±5nm；

将带有图案的暗场掩模版靠近并对准晶圆，利用特定波长的光对覆盖衬底的光刻胶进行选择性地照射，使得光刻胶感光区域的化学成分发生变化(接近式曝光，实现掩膜图形的转移)；

利用正胶显影液溶解正光刻胶的感光区，将光刻胶中的图形显现出来，利用高温处理去除光刻胶剩余溶剂，提高光刻胶在离子注入或刻蚀中保护表面的能力(坚膜)；

利用溅射工艺构造环境电阻，其具体为：

在真空环境中采用直流磁控溅射工艺在晶圆表面沉积出微米量级的薄膜电阻栅结构Cr/Pt薄膜层，即沉积出环境校准温感电阻10；其中，Cr黏附层厚度为10nm，Pt有效电阻层厚度为100nm；将晶圆放入专用溶剂中剥除光刻胶，如图6(a)所示。

再利用MOCVD(金属有机化学气相沉积)在晶圆表面生长Si晶体，经过CMP(化学机械抛光)形成厚度为50um的硅晶体薄膜层，如图6(b)所示。

步骤S2、采用各向同性湿法蚀刻工艺在硅晶体薄膜层向下蚀刻出空腔结构9；

利用湿法蚀刻形成空腔结构9，其具体为：

采用正胶光刻和暗场掩模版在晶圆表面形成空腔轮廓图案；

采用湿法蚀刻形成空腔结构9：

采取各向同性湿法蚀刻工艺，通过氢氟酸、硝酸和醋酸的混合硅蚀刻溶剂在晶圆表面向下蚀刻出空腔结构9；

采用专用溶剂冲洗、甩干去除残余硅蚀刻溶剂，如图6(c)所示；

步骤S3、采用LPCVD在所述空腔结构9内生长出SiO

利用LPCVD构造隔热层薄膜，具体的：

在真空环境中采用LPCVD(低压化学气相沉积)在晶圆表面生长SiO

采用LPCAD在晶圆表面沉积出一层特殊材料制成的绝缘阻热陶瓷薄膜层4，厚度为2um，如图6(d)所示。

步骤S4、采用直流磁控溅射工艺在所述陶瓷薄膜层4的表面沉积出流量测量温感电阻6和风速校准温感电阻8；

利用溅射工艺构造热敏电阻，具体为：

利用正胶光刻在绝缘阻热陶瓷薄膜层4表面形成热敏电阻和环境电阻轮廓图案；

在真空环境中采用直流磁控溅射工艺在热层薄膜表面沉积出微米量级的薄膜电阻栅结构NTC薄膜层，厚度为100nm，即沉积出流量测量温感电阻6和风速校准温感电阻8；将晶圆放入专用溶剂中剥除光刻胶，如图6(e)所示。

步骤S5、采用干法蚀刻在所述陶瓷薄膜层4上蚀刻出连接缝隙和深孔结构3，所述连接缝隙和深孔结构3贯穿所述陶瓷薄膜层4；

利用干法蚀刻形成缝隙结构，其具体为：

采用正胶光刻在阻热层薄膜表面形成连接缝隙和深孔轮廓图案；

采用IBE(反应离子束刻蚀)在阻热层薄膜上蚀刻出连接缝隙和深孔结构3，连接缝隙和深孔结构3贯穿阻热层薄膜；

利用溅射刻蚀工艺，循环执行沉积、清理、刻蚀和吹扫步骤，深度刻蚀出深孔结构3，如图6(f)所示。

步骤S6、采用直流磁控溅射工艺在所述陶瓷薄膜层4的表面沉积出热源电阻7；

利用溅射工艺构造加热电阻，其具体为：

采用正胶光刻在阻热层薄膜表面形成加热电阻和连接宽线图案；

在真空环境中采用直流磁控溅射工艺在晶圆表面沉积出微米量级的薄膜电阻栅结构、连接宽线和深孔的Cr/Pt薄膜层，即在陶瓷薄膜层4的表面沉积出热源电阻7，如图6(g)所示。

步骤S7、采用刻蚀工艺去除空腔结构9中的SiO

采用湿法蚀刻形成空腔结构9，其具体为：

采用正胶光刻在阻热层薄膜表面形成缝隙图案；

采用HF和NH

采用激光划线一定深度后，采用裂片方式，产生沿切割道纵向延伸的应力使芯片分离，如图6(h)所示。

步骤S8、采用直流磁控溅射工艺在在硅基底1背面沉积出连接电极11；

采用溅射工艺构造连接电阻，其具体为：

采用正胶光刻在阻热层薄膜表面形成连接电极11图案；

在真空环境中采用直流磁控溅射工艺在晶圆表面沉积出连接电极11结构Cr/Pt薄膜层，对深孔再次沉积Cr/Pt薄膜层，确保连接线5通顺；

采用溅射工艺构造保护薄膜；

采用正胶光刻在阻热层薄膜表面形成保护薄膜图案；

在真空环境中采用直流磁控溅射工艺在晶圆表面沉积出连接电极11结构Cr/Au薄膜层。厚度分别为10nm/100nm，形成连接电极11，用于后期与电路板电路进行连接，如图6(i)所示。

步骤S9、采用键合工艺将封装流道2对流量传感芯片进行封装，以构造得到传感芯片。

本实施例利用电连接技术进行封装，其具体为：

在晶圆表面涂覆一层厚胶，光刻显影后得到制作沟道的模具；

在模具上浇灌阻热材料，室温下放置24h即可剥离得到气流沟道；

将制造的沟道与芯片利用电连接技术进行对准密封，构造最终传感器芯片，如图6(j)所示。

在本实施例的制备方法中，本发明设计了9个掩盖版，并加工出玻璃铬板用于光刻工艺，如图7所示。

其中，选用尺寸为4英寸的硅晶圆作为传感器的基板，所设计的版图总共由9套配合使用，使用光刻掩膜版顺序如下：

掩膜版图7(a)用于环境电阻的图案绘制；

掩膜版图7(b)用于隔热空腔的图案绘制；

掩膜版图7(c)用于热敏电阻的图案绘制；

掩膜版图7(d)用于连接孔的图案绘制；

掩膜版图7(e)用于贯穿孔的图案绘制；

掩膜版图7(f)用于加热电阻与连接导线的图案绘制；

掩膜版图7(g)用于背部连接电极11的图案绘制；

掩膜版图7(h)用于环境电阻的图案绘制；

掩膜版图7(i)用于密封模具的图案绘制。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。