[发明专利]一种真空隔热的MEMS流量传感器及其制作方法

说明书

本发明公开了一种真空隔热的MEMS流量传感器及其制作方法，该流量传感器包括：衬底，设有真空密闭隔热腔体；第一介质层，形成于衬底的上表面；加热元件、感温元件及金属电极，形成于第一介质层的上表面，其中感温元件对称分布在加热元件的两侧，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、感温元件、金属电极及通孔，且局部刻蚀出接触孔。本发明的MEMS流量传感器利用低压力化学气相沉积法的“保形效应”形成真空密闭隔热腔体，一方面可提高隔热腔体的隔热性能，另一方面可减少被测流体与隔热腔体之间的对流热损失，从而有利于降低器件功耗，并增大上下游感温元件之间的温差，有效提高器件灵敏度。

技术领域

本发明属于流量测量技术领域，特别涉及一种真空隔热的MEMS流量传感器及其制作方法。

背景技术

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、响应快、功耗低等诸多优点而得到广泛应用。MEMS热温差式流量传感器芯片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(通常为热电堆)。加热元件提供一定的功率以使芯片表面温度高于环境温度，当无气体流动时，芯片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，气体分子转移热量使芯片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流量。

功耗和灵敏度是流量传感器的重要指标，针对于此，人们主要发展了三种技术方案：采用热导率较小的悬浮膜结构来减小基底的热损耗；采用具有更高塞贝克系数的热电材料；采用更大的芯片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，人们对流量传感器的功耗和灵敏度的要求进一步提高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种真空隔热的MEMS流量传感器及其制作方法，通过形成真空密闭的隔热腔体，达到减少热量损失、降低器件功耗的目的，同时增大上下游感温元件之间的温差，有效提高器件的灵敏度。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种真空隔热的MEMS流量传感器，包括：

衬底，设有隔热腔体，所述隔热腔体由所述衬底的上表面向内凹入形成；所述衬底上表面沉积有一层牺牲层，所述隔热腔体设于牺牲层中，由牺牲层的上表面向内凹入形成；所述牺牲层的材料为氧化硅、氮化硅、多晶硅、非晶硅中的一种；

第一介质层，形成于所述衬底的上表面，其上通过局部刻蚀形成均匀分布的若干通孔；

加热元件，形成于所述第一介质层的上表面，且局部位于所述隔热腔体的上方；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；

感温元件，形成于所述第一介质层的上表面，对称分布在所述加热元件的两侧，且局部位于所述隔热腔体的上方；

金属电极，形成于所述第一介质层的上表面；

第二介质层，覆盖所述加热元件、感温元件、金属元件及通孔，并使所述隔热腔体形成真空密闭状态，且所述第二介质层上通过局部刻蚀形成暴露出部分金属电极的接触孔。

上述方案中，所述衬底为半导体衬底，包括硅衬底、锗衬底、SOI衬底、GeOI衬底中的一种。

上述方案中，所述衬底上表面沉积有一层牺牲层，所述隔热腔体设于牺牲层中，由牺牲层的上表面向内凹入形成；所述牺牲层的材料为氧化硅、氮化硅、多晶硅、非晶硅中的一种。

上述方案中，所述第一介质层的材料为氧化硅、氮化硅的一种或两种组合。

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、金属中的一种。