[发明专利]一种基于MEMS技术的热扩散率传感器芯片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于MEMS(微型电子系统)技术的热扩散率传感器芯片，特别是一种基于MEMS技术的热扩散率传感器芯片及其制备方法，用于测量流体热扩散率。

背景技术

测量流体热扩散率的方法很多，热扩散率是流体重要的传递性质，要确定流体的热扩散率一般可通过理论计算和实验测定两种途径。由于流体分子的堆积结构还没有完整的理论，这些估算所假设的公式和模型比较理想化、简单化，为复杂的实际情况不完全符合，往往产生较大的误差，并且这些方程一般只适用于特定的物系和范围，许多流体依然需要试验测定。因此，实验测量是确定流体热扩散率的重要途径，典型的测量方法有水平平板法、同心圆筒法、热线法、热窄带法、热丝法等。常规的瞬态热线法、热带法测量流体热扩散率的仪器及数据处理过程复杂，而且需要大量样品，测量时间长。从精度上讲，目前认为较好的是热丝法，该方法不但速度快、精度高，而且能有效减少对流的影响，但该方法的设备较复杂，而且适用范围也较窄，不能用于导电液体和粘度大的流体热扩散率的测定，比如不能测定原油和油水混合物的热扩散率等。

随着传感器技术、电子技术、MEMS技术、光学技术、流体力学、计算机技术、声学等科学的不断进步，有利地促进了流体热扩散率测量技术的发展，涌现出了新的热扩散率测量方法和装置。如采用热探针测量方法，瞬态双热丝的方法进行热扩散率的测量等，但以上技术虽然能在一定程度上提高测量精度，但依然存在需要样品过多、时间长或设备复杂的情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于MEMS技术的热扩散率传感器芯片及其制备方法，通过滴入流体样品覆盖在加热器和传感器上，利用外部电流对加热器加热，然后记录下传感器的温度变化曲线并计算其时间常数，由此得到时间常数与流体导热系数的关系曲线，以此实现热扩散率的测量。

本发明基于MEMS技术的热扩散率传感器芯片，包括沉积在SOI晶片上表面的二氧化硅隔离层、淀积在二氧化硅隔离层上表面并经刻蚀后形成的加热器以及温度传感器、以及淀积在二氧化硅隔离层上表面、加热器上表面以及温度传感器上表面的氮化硅保护层，其中，所述SOI晶片的下表面自下表面向上刻蚀有绝热腔，所述加热器位于二氧化硅隔离层上表面的中心位置，所述温度传感器均匀分布在以加热器为中心的径向上。

所述加热器和温度传感器由多晶硅形成；所述温度传感器以加热器为中心围成同心圆结构；所述二氧化硅隔离层上表面设置有由引线层经刻蚀后形成的金属引线，该金属引线采用Ti/Cu双层结构；所述Ti层厚度为50～100nm。

本发明基于MEMS技术的热扩散率传感器芯片的制备方法包括以下步骤：

(1)将SOI晶片的正面在管式炉内在850～1150℃温度下进行干法热氧化，在SOI晶片的上表面形成厚度0.1μm～0.3μm的二氧化硅隔离层；

(2)采用低压化学气相淀积技术在步骤1)得到的器件正面淀积0.2μm～0.3μm厚的多晶硅，通过光刻和刻蚀后形成加热器与温度传感器；

(3)在步骤2)得到的器件正面刻蚀引线孔并采用溅射工艺在硅片正面淀积0.1μm～0.3μm厚的Ti/Cu双层结构引线层，经过光刻和刻蚀后形成内引线；

(4)用低压气相淀积技术在步骤3)得到的器件正面淀积0.2μm～0.5μm厚的氮化硅保护层；

(5)采用湿法刻蚀技术在步骤4)得到的器件背面进行背腔腐蚀，形成热隔离腔；

(6)采用光刻和刻蚀工艺，将芯片焊盘区域的氮化硅去除，留出焊盘，以便于后续的信号连接；

(7)采用金丝球焊或铝丝楔焊等引线键合技术将金丝或铝丝与硅芯片焊盘以及PCB转接板的焊盘连接起来。