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1、(10)申请公布号 CN 104280085 A (43)申请公布日 2015.01.14 C N 1 0 4 2 8 0 0 8 5 A (21)申请号 201410577281.7 (22)申请日 2014.10.24 G01F 1/684(2006.01) G01F 1/692(2006.01) B81C 1/00(2006.01) (71)申请人中国电子科技集团公司第三十八研 究所 地址 230000 安徽省合肥市高新技术开发区 香樟大道199号 (72)发明人曾鸿江 胡国俊 谷永先 时凯 (54) 发明名称 一种气体流量传感器及其制作方法 (57) 摘要 本发明公开了一种气体流量传感。
2、器及其制作 方法,该气体流量传感器包括衬底基片、微加热电 阻、上游微测温电阻、下游微测温电阻、环境电阻。 衬底基片开设有凹槽,微加热电阻、上游微测温电 阻、下游微测温电阻的两端均固定在衬底基片上 而悬梁于凹槽上呈悬梁型结构。上、下游微测温电 阻分别位于微加热电阻的相对两侧上。环境电阻 固定在衬底基片上,且位于衬底基片具有上游微 测温电阻的一侧上。本发明能够最大程度地避免 薄膜热传导所引起的热量散失、提高微加热电阻 加热效率、同时提高气体流量的检测灵敏度。本发 明还公开了该气体流量传感器的制作方法。 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 (19)中华人民共和国国家知识产权。
3、局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 (10)申请公布号 CN 104280085 A CN 104280085 A 1/2页 2 1.一种气体流量传感器,其包括衬底基片(5)、至少一个微加热电阻(1)、至少一个上 游微测温电阻(3)、至少一个下游微测温电阻(2)、至少一个环境电阻(6);其特征在于: 衬底基片(5)开设有凹槽(4); 至少一个微加热电阻(1)、至少一个上游微测温电阻(3)、至少一个下游微测温电阻 (2)的两端均固定在衬底基片(5)上而悬梁于凹槽(4)上呈悬梁型结构,至少一个上游微测 温电阻(3)与至少一个下游微测温电阻(2)分别位于至少一个微加热电阻。
4、(1)的相对两侧 上; 至少一个环境电阻(6)固定在衬底基片(5)上,且位于衬底基片(5)具有至少一个上 游微测温电阻(3)的一侧上。 2.一种气体流量传感器,其特征在于:其为由如权利要求1所述的气体流量传感器封 装形成的芯片,至少一个微加热电阻(1)、至少一个上游微测温电阻(3)、至少一个下游微 测温电阻(4)、至少一个环境电阻(6)的两端均引出引线作为该芯片的引脚。 3.如权利要求1或2所述的气体流量传感器,其特征在于:衬底基片(5)为单晶硅、多 晶硅、金属衬底、有机衬底、PCB衬底中的一种。 4.如权利要求1或2所述的气体流量传感器,其特征在于:至少一个微加热电阻(1)、 至少一个上游微。
5、测温电阻(3)、至少一个下游微测温电阻(2)、至少一个环境电阻(6)的外 表面均包覆有一层绝缘膜(8),绝缘膜(8)是具有绝缘特性的薄膜材料。 5.一种如权利要求1或2所述的气体流量传感器的制作方法,其特征在于:其包括以 下步骤: 准备一片初始衬底基片(7); 通过MEMS薄膜沉积工艺在初始衬底基片(7)上沉积第一层的绝缘膜(8); 利用MEM图形化工艺将至少一个微加热电阻(1)、至少一个上游微测温电阻(3)、至少 一个下游微测温电阻(2)、至少一个环境电阻(6)的金属电阻结构分别制备到绝缘膜(8)上 面; 利用MEMS薄膜沉积工艺在所有金属电阻结构上沉积第二层的绝缘膜(8); 利用MEMS薄。
6、膜刻蚀技术将至少一个微加热电阻(1)、至少一个上游微测温电阻(3)、至 少一个下游微测温电阻(2)之间的绝缘膜去除,形成基底的腐蚀释放窗口; 利用MEMS体硅腐蚀技术将至少一个微加热电阻(1)、至少一个上游微测温电阻(3)、至 少一个下游微测温电阻(2)下方的硅基底掏空,使腐蚀释放窗口形成凹槽(4),从而分别形 成分立的悬梁型金属电阻结构。 6.如权利要求5所述的气体流量传感器的制作方法,其特征在于:MEMS薄膜沉积工艺 是氧化、或低压化学气相沉积LPCVD、或等离子增强化学气相沉积PECVD、或溶胶凝胶工艺、 或有机材料涂覆固化工艺。 7.如权利要求5所述的气体流量传感器的制作方法,其特征在。
7、于:MEM图形化工艺是光 刻工艺、或聚焦离子束刻蚀FIB、或激光扫描刻蚀工艺。 8.如权利要求5所述的气体流量传感器的制作方法,其特征在于:MEMS薄膜刻蚀工艺 是反应离子刻蚀RIE、或电感耦合反应离子刻蚀ICP、或离子束刻蚀IonBeam、或湿法腐蚀、 或聚焦离子束刻蚀FIB、或激光扫描刻蚀。 9.如权利要求5所述的气体流量传感器的制作方法,其特征在于:MEMS体硅腐蚀技术 权 利 要 求 书CN 104280085 A 2/2页 3 是氢氧化钾KOH溶液腐蚀、或四甲基氢氧化氨TMAH溶液腐蚀、或氟化氙XeF硅材料腐蚀。 10.如权利要求5所述的气体流量传感器的制作方法,其特征在于:衬底基片。
8、(5)为单 晶硅、或多晶硅、或金属衬底、或有机衬底、或PCB衬底,金属电阻结构材料是具有加热特性 或者测温特性的金属材料。 权 利 要 求 书CN 104280085 A 1/5页 4 一种气体流量传感器及其制作方法 技术领域 0001 本发明涉及微机电系统(MEMS)技术领域,尤其涉及一种应用于医疗器械、家用煤 气等领域的小量程通用型硅基MEMS气体流量传感器及其制作方法。 背景技术 0002 气体流量传感器,主要用于医疗电子器械(例如呼吸机、制氧机、麻醉机等)、工业 过程气体流量控制、家用煤气表、汽车发动机、室内气体监测等领域。在这些领域中,除了工 业级气体流量监测和控制之外,气体流量的测。
9、量范围普遍在100LPM(升/分钟)以下,为 小量程气体流量测量。而在小量程气体流量检测领域,气体流量传感器基于其测量机理通 常分为以下几种:机械涡轮式、浮子式、超声波式、压差式、热导式等。其中机械涡轮式和浮 子式均由具有一定尺寸的机械部件构成,所以体积较大而且对小流量的气体检测灵敏度不 高。超声波式是近年来发展比较迅速的一种流量传感器,但是声波在气体中能量损耗较大, 使其具有功耗大的缺点。压差式流量传感器是利用上下游气体压力差来反映气体流量的大 小,这种测量方式需要有两个完全相同的并具有一定间距的压力传感器,因此对管道设计 和尺寸具有一定要求。 0003 基于热导式的小量程气体流量传感器产品。
10、的专利有:(1)专利US7536908 B2和 (2)专利WO2014011277 A2,这两个专利均采用MEMS微加工体硅腐蚀技术制作悬空薄膜型 热导式气体流量传感器芯片。对于这两个发明,微加热电阻和测温电阻在同一块连续的薄 膜上,微加热电阻和测温电阻之间的热传播方式主要是由薄膜的热传导所导致,而气体流 量所导致的热对流传播仅占其中一小部分,因此由气体流量引起的测温电阻温度变化并不 十分明显,测量灵敏度有限。另一方面,连续薄膜热传导使得微加热电阻所产生热量的损耗 较大,导致器件的功耗没办法做得更小。 发明内容 0004 基于上述目的,本发明提出一种气体流量传感器及其制作方法,其能够最大程度 。
11、地避免薄膜热传导所引起的热量散失、提高微加热电阻加热效率、同时提高气体流量的检 测灵敏度。 0005 本发明是这样实现的,一种气体流量传感器,其包括衬底基片(5)、至少一个微加 热电阻(1)、至少一个上游微测温电阻(3)、至少一个下游微测温电阻(2)、至少一个环境电 阻(6);其中,衬底基片(5)开设有凹槽(4);至少一个微加热电阻(1)、至少一个上游微测 温电阻(3)、至少一个下游微测温电阻(2)的两端均固定在衬底基片(5)上而悬梁于凹槽 (4)上呈悬梁型结构,至少一个上游微测温电阻(3)与至少一个下游微测温电阻(2)分别位 于至少一个微加热电阻(1)的相对两侧上;至少一个环境电阻(6)固定。
12、在衬底基片(5)上, 且位于衬底基片(5)具有至少一个上游微测温电阻(3)的一侧上。 0006 作为上述方案的进一步改进,衬底基片(5)为单晶硅、多晶硅、金属衬底、有机衬 底、PCB衬底中的一种。 说 明 书CN 104280085 A 2/5页 5 0007 作为上述方案的进一步改进,至少一个微加热电阻(1)、至少一个上游微测温电阻 (3)、至少一个下游微测温电阻(2)、至少一个环境电阻(6)的外表面均包覆有一层绝缘膜 (8),绝缘膜(8)是具有绝缘特性的薄膜材料。 0008 本发明还提供另一种气体流量传感器,其包括衬底基片(5)、至少一个微加热电阻 (1)、至少一个上游微测温电阻(3)、至。
13、少一个下游微测温电阻(2)、至少一个环境电阻(6); 其中,衬底基片(5)开设有凹槽(4);至少一个微加热电阻(1)、至少一个上游微测温电阻 (3)、至少一个下游微测温电阻(2)的两端均固定在衬底基片(5)上而悬梁于凹槽(4)上呈 悬梁型结构,至少一个上游微测温电阻(3)与至少一个下游微测温电阻(2)分别位于至少 一个微加热电阻(1)的相对两侧上;至少一个环境电阻(6)固定在衬底基片(5)上,且位 于衬底基片(5)具有至少一个上游微测温电阻(3)的一侧上。该气体流量传感器封装形成 芯片,至少一个微加热电阻(1)、至少一个上游微测温电阻(3)、至少一个下游微测温电阻 (4)、至少一个环境电阻(6。
14、)的两端均引出引线作为该芯片的引脚。 0009 作为上述方案的进一步改进,衬底基片(5)为单晶硅、多晶硅、金属衬底、有机衬 底、PCB衬底中的一种。 0010 作为上述方案的进一步改进,至少一个微加热电阻(1)、至少一个上游微测温电阻 (3)、至少一个下游微测温电阻(2)、至少一个环境电阻(6)的外表面均包覆有一层绝缘膜 (8),绝缘膜(8)是具有绝缘特性的薄膜材料。 0011 本发明还提供上述任意一种气体流量传感器的制作方法,其包括以下步骤: 0012 准备一片初始衬底基片(7); 0013 通过MEMS薄膜沉积工艺在初始衬底基片(7)上沉积第一层的绝缘膜(8); 0014 利用MEM图形化。
15、工艺将至少一个微加热电阻(1)、至少一个上游微测温电阻(3)、 至少一个下游微测温电阻(2)、至少一个环境电阻(6)的金属电阻结构分别制备到绝缘膜 (8)上面; 0015 利用MEMS薄膜沉积工艺在所有金属电阻结构上沉积第二层的绝缘膜(8); 0016 利用MEMS薄膜刻蚀技术将至少一个微加热电阻(1)、至少一个上游微测温电阻 (3)、至少一个下游微测温电阻(2)之间的绝缘膜去除,形成基底的腐蚀释放窗口; 0017 利用MEMS体硅腐蚀技术将至少一个微加热电阻(1)、至少一个上游微测温电阻 (3)、至少一个下游微测温电阻(2)下方的硅基底掏空,使腐蚀释放窗口形成凹槽(4),从而 分别形成分立的。
16、悬梁型金属电阻结构。 0018 作为上述方案的进一步改进,MEMS薄膜沉积工艺是氧化、或低压化学气相沉积 LPCVD、或等离子增强化学气相沉积PECVD、或溶胶凝胶工艺、或有机材料涂覆固化工艺。 0019 作为上述方案的进一步改进,MEM图形化工艺是光刻工艺、或聚焦离子束刻蚀 FIB、或激光扫描刻蚀工艺。 0020 作为上述方案的进一步改进,MEMS薄膜刻蚀工艺是反应离子刻蚀RIE、或电感耦 合反应离子刻蚀ICP、或离子束刻蚀IonBeam、或湿法腐蚀、或聚焦离子束刻蚀FIB、或激光 扫描刻蚀。 0021 作为上述方案的进一步改进,MEMS体硅腐蚀技术是氢氧化钾KOH溶液腐蚀、或四 甲基氢氧化。
17、氨TMAH溶液腐蚀、或氟化氙XeF硅材料腐蚀。 0022 作为上述方案的进一步改进,衬底基片(5)为单晶硅、或多晶硅、或金属衬底、或 说 明 书CN 104280085 A 3/5页 6 有机衬底、或PCB衬底,金属电阻结构材料是具有加热特性或者测温特性的金属材料。 0023 本发明采用悬梁型微电阻结构,把微加热电阻和微测温电阻分立,避免了由连续 薄膜热传导引起的热量散失,从而大大提高MEMS热导式气体流量传感器的检测灵敏度以 及降低功耗,此芯片结构及工艺简单,性能可靠,结构紧凑。特别是基于气体热对流原理, 采用悬梁结构并通过体硅腐蚀工艺制作的气体流量传感器,对比以上这些类型的流量传 感器,本。
18、发明所涉及的热导式流量传感器采用热对流效应对气体流量进行测量,可以利用 MEMS微加工工艺制作而成。将微型加热电阻丝和测温电阻集成在同一个MEMS微传感器芯 片当中,具有体积小、功耗小、成本低、灵敏度高等众多优点。 附图说明 0024 图1是本发明的气体流量传感器的俯视结构示意图。 0025 图2是图1中气体流量传感器沿剖线a-b的剖视示意图及工作时的相应气体温度 分布曲线示意图。 0026 图3(A)、3(B)、3(C)、3(D)、3(E)、3(F)为图1中气体流量传感器的MEMS工艺流程 示意图。 具体实施方式 0027 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例。
19、,对 本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并 不用于限定本发明。 0028 本发明的气体流量传感器可为通用型低功耗硅基MEMS气体流量传感器,其结构 示意图如图1及图2所示。气体流量传感器包括衬底基片5、至少一个微加热电阻1、至少 一个上游微测温电阻3、至少一个下游微测温电阻2、至少一个环境电阻6,其中,微加热电 阻1、上游微测温电阻3、下游微测温电阻2、环境电阻6它们的数量均以1个为例进行举例 说明。 0029 衬底基片5开设有凹槽4,衬底基片5可以是单晶硅、多晶硅、金属衬低、有机衬低、 PCB衬低等各种衬低材料。 0030 微加热电阻1、上游微测温。
20、电阻3、下游微测温电阻2的两端均固定在衬底基片5 上而悬梁于凹槽4上呈悬梁型结构,上游微测温电阻3、下游微测温电阻2分别位于微加热 电阻1的相对两侧上。环境电阻6固定在衬底基片5上,且位于衬底基片5具有上游微测 温电阻2的一侧上。微加热电阻1、上游微测温电阻3、下游微测温电阻2、环境电阻6的电 阻材料均可以是Pt、Ni、Au、Al、Cu等各种具有加热特性或者测温特性的金属材料。 0031 气体流量传感器可封装形成芯片,微加热电阻1、上游微测温电阻3、下游微测温 电阻2、环境电阻6的两端均引出引线作为该芯片的引脚。微加热电阻1、上游微测温电阻 3、下游微测温电阻2、环境电阻6的外表面均包覆有一层。
21、绝缘膜8,绝缘膜8是二氧化硅膜、 氮化硅膜、二氧化硅和氮化硅复合膜、有机薄膜等各种具有绝缘特性的薄膜材料,厚度范围 为1nm至100微米。 0032 从图2中可以看到,经过MEMS微加工工艺的体硅腐蚀释放之后,微加热电阻1、上 游微测温电阻3、下游微测温电阻2完全悬空于基底(即衬底基片5)的凹槽4上方,而桥接 说 明 书CN 104280085 A 4/5页 7 于凹槽4上,形成分立的相互隔绝的结构。 0033 当气体流量传感器工作时,如果气体流量传感器上方的气体流速为零,那么气体 完全静止,气体的温度分布曲线为实线曲线所示。此时的温度分布为上下游对称,中心微加 热电阻1的热量完全通过气体本身。
22、的热扩散传播到上游测温电阻3和下游测温电阻2,由于 上游微测温电阻3、下游微测温电阻2与中心微加热电阻1的距离相同,因此上下游测温电 阻3和2的温度相同,没有温差。如果气体流量传感器上方的气体按照图示气体方向那样 流动,温度分布的对称性就会被打破,此时中心微加热电阻1所产生的热量除了由于热扩 散传递到上下游测温电阻3和2之外,还由于气体的流动使得传递到下游测温电阻2的热 量要比传递到上游测温电阻3的热量要多,导致整个温度曲线向下游移动变成虚线所示的 曲线。因此上游测温电阻3的温度就会比下游测温电阻2的温度要低,产生了温差。而上 下游温差的大小可以通过上下游测温电阻3和2的阻值差异直接测量出来。。
23、温差大小随着 气体流速的增大而增大,因此可以直接反映气体流量的大小。另一方面,环境的温度可以直 接利用环境电阻6直接测量和补偿,从而可以消除气体温度波动对测量结果的影响,从而 提高流量检测的精度。 0034 上述的原理是热导式MEMS气体流量传感器的共同原理,专利US7536908 B2和专 利WO2014011277 A2同样是利用了上述原理。但与现有的热导式MEMS气体流量检测技术 最大不同的是,本发明中的中心微加热电阻1和上下游微测温电阻3和2之间并不是在一 块连续的薄膜上,而是呈现悬梁型的相互分立的结构。这种新颖的结构设计使得中心微加 热电阻所产生的热量并不会经过连续薄膜基底的热传导传。
24、递到上下游测温电阻,而只是通 过气体的热扩散和流动而传递到上下游测温电阻,因此可以明显提高气体流动对上下游温 差的贡献,提高气体流量的检测灵敏度,同时也可以避免连续薄膜基底对中心微加热电阻 的热耗散,明显降低气体流量传感器的功耗。 0035 本发明的低功耗硅基MEMS气体流量传感器利用MEMS批量化微加工工艺制作而 成,具体的工艺流程如图3(A)、3(B)、3(C)、3(D)、3(E)、3(F)所示。 0036 工艺步骤分述如下。 0037 如图3(A),准备一片初始衬底基片7。初始衬底基片7可以是单晶硅、多晶硅、金 属衬低、有机衬低、PCB衬低等各种衬低材料。 0038 如图3(B),通过M。
25、EMS薄膜沉积工艺在初始衬底基片7上沉积第一层的绝缘膜 8。MEMS薄膜沉积工艺可以是氧化、低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子增强化学气相沉积 (PECVD)、溶胶凝胶工艺、有机材料涂覆固化工艺等。绝缘膜8可以是二氧化硅膜、氮化硅 膜、二氧化硅和氮化硅复合膜、有机薄膜等各种具有绝缘特性的薄膜材料,厚度范围为1nm 至100微米。 0039 如图3(C),利用MEM图形化工艺将微加热电阻1、上下游测温电阻3和2、环境电阻 6等相关金属导线结构制备到绝缘膜8上面。图形化工艺可以是光刻工艺、聚焦离子束刻蚀 (FIB)、激光扫描刻蚀工艺等图形化技术。电阻材料可以是Pt、Ni、Au、Al、Cu等各种。
26、具有加 热特性或者测温特性的金属材料。 0040 如图3(D),利用MEMS薄膜沉积工艺在所有电阻结构上沉积第二层的绝缘膜8以保 护所有金属电阻结构不受外界影响,以增加器件的长期稳定性和可靠性。MEMS薄膜沉积工 艺可以是氧化、低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)、溶胶凝胶 说 明 书CN 104280085 A 5/5页 8 工艺、有机材料涂覆固化工艺等。 0041 如图3(E),利用MEMS薄膜刻蚀技术将微加热电阻1、上下游测温电阻3和2之间 的绝缘膜8去除,形成硅基底的腐蚀释放窗口。MEMS薄膜刻蚀工艺可以是反应离子刻蚀 (RIE)、电感耦合反应离子刻蚀(。
27、ICP)、离子束刻蚀(IonBeam)、湿法腐蚀、聚焦离子束刻蚀 (FIB)、激光扫描刻蚀等各种刻蚀技术。 0042 如图3(F),利用MEMS体硅腐蚀技术将微加热电阻1、上下游测温电阻3和2下方 的硅基底掏空,从而形成分立的悬梁型金属电阻结构。MEMS体硅腐蚀技术可以是氢氧化钾 (KOH)溶液腐蚀、四甲基氢氧化氨(TMAH)溶液腐蚀、氟化氙(XeF)等各种硅材料腐蚀技术。 0043 本发明的硅基MEMS气体流量传感器的最大创新点在与中心微加热电阻和上下游 测温电阻是通过MEMS工艺制作而成的悬梁型分立微电阻结构,中心微加热电阻1到上下游 测温电阻3、2之间的热传播方式主要是气体的热扩散和流动。
28、,能够最大程度地避免薄膜热 传导所引起的热量散失、提高微加热电阻加热效率、同时提高气体流量的检测灵敏度。此传 感器具有结构简单、工艺简单、成本低、可批量化、功耗极低等多方面优点。 0044 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。 说 明 书CN 104280085 A 1/3页 9 图1 图2 图3(A) 说 明 书 附 图CN 104280085 A 2/3页 10 图3(B) 图3(C) 图3(D) 说 明 书 附 图CN 104280085 A 10 3/3页 11 图3(E) 图3(F) 说 明 书 附 图CN 104280085 A 11 。