[发明专利]微型流量传感器的单片集成设计方法、制造方法及传感器

说明书

本发明公开了微型流量传感器的单片集成设计方法、制造方法及传感器。单片集成设计方法包括：构建微加热器的热电耦合等效模型；对微带线组件进行传热解析分析得到热学信息，其中微带线组件由微加热器及两对热敏电阻组成；根据微加热器的热电耦合等效模型及恒温差控制电路结构构建第一等效电路模型；并构建与两对热敏电阻对应的第二等效电路模型；对第一等效电路模型及第二等效电路模型进行力‑热‑电耦合得到系统级等效电路模型。通过上述方法，可耦合具有热物理性质的传热解析模型建立与温湿度关联的非线性系统级等效模型，以实现高效模拟温湿度变化对传感器输出的影响，并可基于系统级模型快速对MEMS微结构及CMOS接口电路进行协同设计与优化。

技术领域

本发明涉及气流传感器的技术领域，尤其涉及一种微型流量传感器的单片集成设计方法、制造方法及传感器。

背景技术

CMOS-MEMS热式流量传感器是由MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微电子机械系统)微结构以及CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)接口电路组成，其工作过程涉及计算流体动力学(CFD，Computational FluidDynamics)、热学、电学多场耦合；而对于属于MEMS传感器这一类型的热式流量传感器而言，通常需要由互补金属氧化物半导体(CMOS)技术制造的电路对所检测到的信号进行处理，例如模数转换、放大、温度补偿、存储或滤波以及系统测试的逻辑和通信功能的电路。随着半导体技术的发展，人们为将MEMS结构与集成电路(IC)集成在单个CMOS基板上做出了巨大努力，CMOS-MEMS技术也已稳步应用于制造微型热流量传感器上，即所谓的单片CMOS-MEMS集成。

然而，由于微型流量传感器的设计过程涉及到多个参量，如微悬桥尺寸、薄膜与流体热物性参数、及接口电路参数等。现有的设计大多都是基于计算流体力学模拟或者“经验”设错法，过程繁琐、效率低，且局限于微结构参数优化，无法预测电学响应特性，阻碍了传感器的单片集成化设计。此外，现有传感器设计方法多是基于固定的环境条件，忽略了温湿度变化对流量传感器性能的影响。因此，现有技术方法中微型流量传感器的设计方法存在不完善以及设计效率较低的问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种微型流量传感器的单片集成设计方法、制造方法及传感器，旨在解决现有技术方法中集成传感器设计与性能优化方法不完善的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种微型流量传感器的单片集成设计方法，其包括：

根据热效应的金氏定律和能量守恒定律构建所述微加热器的热电耦合等效模型；

根据所述微型流量传感器的传热解析模型对所述微带线组件进行传热解析，以获取所述微带线组件对应的热学解析信息；

根据所述热电耦合等效模型及所述恒温差控制电路的电路结构构建第一等效电路模型；

根据预置的阻值函数及所述热学解析信息构建与所述两对热敏电阻对应的第二等效电路模型；

根据所述传热解析模型对所述第一等效电路模型及所述第二等效电路模型进行力-热-电耦合，以得到与所述传感器对应的系统级等效电路模型。

第二方面，本发明实施例提供了一种微型流量传感器的单片集成制造方法，其包括：

通过互补型金属氧化物半导体工艺在基片上制作得到流量传感器及片上集成的接口电路；所述基片由硅基底及覆盖于所述硅基底表层的二氧化硅层组成，所述流量传感器嵌入设置于所述二氧化硅层的底部位置；

喷涂光刻胶以在所述流量传感器的顶层沉积一层光刻胶覆盖膜；

通过二氧化硅反应离子蚀刻，去除所述流量传感器上层覆盖的二氧化硅；

通过金属Al干法刻蚀去除所述流量传感器的微带线组件上层用于阻挡氧化物反应离子蚀刻的金属铝；