[发明专利]热堆式气体质量流量传感器及其制造方法

说明书

本发明提供一种热堆式气体质量流量传感器及其制造方法，包括：(111)单晶硅衬底；与衬底相连接的隔热薄膜，且共同围成隔热腔体；加热元件；一对呈“”状且对称分布于加热元件两侧的热电堆，每个热电堆尖端处两条轮廓线的夹角为120°，热电堆由至少一对悬挂于隔热薄膜下表面的单晶硅热偶臂和位于隔热薄膜上表面的多晶硅热偶臂组成的单晶硅‑多晶硅热偶对构成，两个热偶臂及热电堆与加热元件之间通过隔离槽隔离。本发明选择塞贝克系数较大的单晶硅及多晶硅，且可在有限的尺寸下将热偶臂的等效长度做的更长，提高传感器的灵敏度；另外还可增大单晶硅‑多晶硅热偶对热端与单晶硅加热元件之间的间距，调整传感器量程和测量精度，满足不同应用需求。

技术领域

本发明属于硅微机械传感器技术领域，特别是涉及一种热堆式气体质量流量传感器及其制造方法。

背景技术

近年来，由于人类全面进入智能信息化时代，对信息的测量和控制的需求越来越高。其中，对气体流量的测量和控制在生物医疗，航空航天，工业自动化等领域具有重大的意义。随着MEMS技术的不断进步，基于MEMS技术制造的气体质量流量传感器以其灵敏度高、尺寸小、功耗低、响应时间快等优势成为气体流量传感器未来发展的重要方向。此外，在流体测量中，由于被测流体的类型、性质等方面的不同，而导致需要不同的流量传感器进行测量，因此给流量的检测带来了诸多的不便，从而给流量传感器的尺寸和灵敏度等方面带来了巨大的挑战。在众多的气体流量传感器中，热堆式气体质量流量传感器以其器件结构简单、信号处理方便等特点得到了广泛的关注。因此，对于热堆式气体流量传感器如何将其尺寸微型化，灵敏度最大化将成为目前研究的热点问题。

热堆式气体质量流量传感器的工作原理是利用塞贝克效应，通过测量流体通过时，中间加热元件两边热堆上下端温度变化来确定流体流速的。目前，热堆式气体质量流量传感器多是以塞贝克系数低的多晶硅-金属组合，利用MEMS双面体硅微机械加工工艺制作而成。2006年Rainer Buchner等人采用多晶硅-Ti/W作为热电偶材料，利用硅深度反应离子刻蚀(DRIE)完成氮化硅薄膜下隔热腔体的释放[R.Buchner，C.Sosna,M.Maiwald，et al.Ahigh-temperature thermopile fabrication process for thermal flow sensors[J]。Sensors and Actuators:Physical，2006，130(2):262-266]，这种方法制作的热堆式气体质量流量传感器存在以下几点不足：a、利用DRIE从硅片背面进行深硅刻蚀制备隔热空腔，不仅大大增加了制造成本且刻蚀过程中容易引起隔热薄膜破裂，影响刻蚀工艺稳定性；b、采用塞贝克系数不高的多晶硅-金属材料作为热电偶材料，使得传感器灵敏度受限，只能通过增加热偶对方式来进一步提高检测灵敏度。为了提高检测灵敏度和降低制造成本，2016年意大利的Piotto等人采用表面微机械加工技术制作了一款热电堆式气体流量传感器，通过采用独立悬浮的多晶硅加热电阻和热电堆结构，大大降低了器件热耗散，结合塞贝克系数较高的p型多晶硅和n型多晶硅材料作为热偶臂，相比于传统的多晶硅-金属热堆式气体质量流量传感器，灵敏度得到很大提高[Piotto，Massimo，Del Cesta，Francesco，Bruschi，Paolo.Integrated smart gas flow sensor with 2.6mW total power consumption and80dB dynamic range[J].Microelectronic Engineering,159:159-163]，整个器件由表面微机械工艺制造，因此制造成本较低，芯片尺寸也有一定的缩减。为了在此基础上进一步提高热堆式气体质量流量传感器灵敏度，缩小芯片尺寸和降低制造成本，中科院上海微系统与信息技术研究所的薛丹等人设计了一种以最高塞贝克系数的单晶硅和金属作为热偶对材料，采用单面三维体硅微机械加工技术制造出基于p⁺Si/金属热堆式气体质量流量传感器[D.Xue，F.Song，J.Wang，et al.Single-Side Fabricated p⁺Si/Al Thermopile BasedGas Flow Sensor and Low-Cost Volume Manufacturing[J].IEEE Transactions onElectron Devices，2019，66(1):821-824]，但是该传感器存在一个严重不足：由于热偶臂冷端是悬在隔热薄膜下方，单晶硅衬底与冷端之间只能通过热阻很大的隔热薄膜相连，因此冷端热量难以快速传递至单晶硅衬底中，导致冷热端温度差不能达到最大而限制了器件灵敏度的进一步提高。为了解决冷端热量难以耗散至单晶硅衬底中这一难题，同样是该课题组的王珊珊等人对该款气体质量流量传感器进行了改进，设计出一种“三明治”状热沉结构，将热偶臂的冷端半埋入在单晶硅衬底中，通过很薄氮化硅钝化层实现热偶臂冷端与单晶硅衬底间的电学隔离，实现了在芯片尺寸不变条件下进一步提升了传感器的检测灵敏度[Wang Shanshan,Xue Dan，Wang Jiachou，Li Xinxin.Highly sensitive p+Si/Althermopile-based gas flow sensors by using front-sided bulk-micromachiningtechnology[J].IEEE Transactions on Electron Devices，2020，67(4):1781-1786]，但是，这种“三明治”状热沉结构的引入，不仅大大增加了传感器结构的复杂性，影响传感器的良率，而且工艺的复杂性也随之增加，制造成本相应提高。