一种MEMS流量传感芯片及其制造方法和流量传感器与流程

本发明涉及流量测试领域，具体而言，涉及一种mems(microelectromechanicalsystem，微机电系统)传感芯片及其制造方法和流量传感器。

背景技术：

热式质量流量传感器主要通过介质中的热传导原理来感测介质流量，其中，加热元件提供恒定的温度或恒定的功率，而位于加热元件上游和下游的传感元件测量与质量相关的温度变化流动介质的流量。这种测量方式由于不受温度和压力的影响，因此，对于气体的计量具有极大的吸引力，近年来在医疗、工业过程控制、物联网及城市天然贸易计量获得了越来越多的应用。但由于传统的热质量流量测量对气体组分敏感，对于组分复杂气体的计量具有附加的不确定度乃至较大的偏差，从而限制了这一技术的应用范围。

技术实现要素：

本发明的第一个目的在于提供一种mems流量传感芯片，以解决现有热式质量流量传感芯片容易受到气体组分变化的影响，导致此类流量传感器应用受到限制的技术问题。

本发明提供的mems流量传感芯片，包括基体和设置于所述基体的多个传感元件，多个传感元件包括量热元件、飞行时间感测元件和风速感测元件，所述飞行时间感测元件设置在所述风速感测元件与所述量热元件之间的流体流动路径上，所述基体设置有加热元件，所述加热元件用于为所述飞行时间感测元件、所述量热元件和所述风速感测元件提供热量，其中，所述飞行时间感测元件被配置为计量流体的体积流量和流体的热物性值，所述量热元件和所述风速感测元件被配置为计量流体的质量流量和流速。

进一步地，多个所述传感元件中，还包括感温元件，所述感温元件设置于所述风速感测元件的上游，所述感温元件用于感测流体的环境温度。

进一步地，所述飞行时间感测元件的数量为两个，两个所述飞行时间感测元件分别位于所述加热元件的上游和下游，或者，两个所述飞行时间感测元件均位于所述加热元件的下游。

进一步地，所述基体包括依次层叠设置的芯片层、绝缘层和硅器件层，多个所述传感元件均设置于所述硅器件层。

进一步地，所述基体具有相背设置的第一面和第二面，其中，所述第一面设置有第一氮化硅层，所述第二面设置有第二氮化硅层，多个所述传感元件设置于所述第一氮化硅层。

进一步地，所述基体设置有隔热腔，所述隔热腔被配置为阻止所述加热元件产生的热量向所述基体传导。

进一步地，所述加热元件包括微加热器，所述微加热器同时为所述飞行时间感测元件和所述风速感测元件提供热量。

进一步地，所述基体开设有通孔，所述通孔填充有导电材料，以形成导电路径，多个所述传感元件均电连接至所述导电路径。

本发明mems流量传感芯片带来的有益效果是：

该mems流量传感芯片在工作时，加热元件工作，用于为飞行时间感测元件、量热元件和风速感测元件提供热量，加热元件中，热调制波或热脉冲用于飞行时间感测，脉冲幅度用于量热感测。当流体经过该mems流量传感芯片时，量热元件和风速感测元件对流体的质量流量f(v，p，t)和速度进行测量，飞行时间感测元件则对流体的体积流量f(v)以及热物性值进行测量，具体地，在流体流动的过程中，流体的流动改变微热源的温度分布，量热元件和风速感测元件通过测量流体中的导热分子数量获得流体的质量流量和速度；飞行时间感测元件则根据流体的流速获得流体的体积流量和热物性。

这种mems流量传感芯片将用于测量流体质量流量的感测元件和用于测量流体体积流量及热物性的感测元件集成至同一基体，从而能够同时获得流体的质量流量和体积流量及热物性，在测量过程中测量到气体组分变化的影响，从而能够消除组分变化的影响，实现与组分无关的质量流量测量。

本发明的第二个目的在于提供一种制造方法，以制造上述mems流量传感芯片。

本发明提供的制造方法，用于制造上述mems流量传感芯片，包括如下步骤：

在基体的第一面和第二面沉积氮化硅；

在基体开设通孔，并向通孔填充导电材料，以形成导电路径；

将加热元件和多个传感元件沉积至基体的第一面，并与导电路径连接；

在基体的与加热元件相对的一面挖槽，以形成隔热腔。

进一步地，还包括步骤：在基体开设第一沉台和第二沉台，使基体具有位于第一沉台和第二沉台之间的基座，其中，第一沉台用于安装感温元件，第二沉台用于形成导电路径的接入点，基座用于安装量热元件、飞行时间感测元件和风速感测元件。

进一步地，还包括步骤：利用分步干法蚀刻工艺对基座靠近导电路径的立面进行加工，使基座的尖锐边缘成为斜面。

进一步地，还包括步骤：在所述将加热元件和多个传感元件沉积至基体的第一面，并与导电路径连接的这一步骤之前，对导电路径的两端进行金属化处理。

进一步地，还包括步骤：在所述将加热元件和多个传感元件沉积至基体的第一面，并与导电路径连接这一步骤之后，对基体第一面的所有区域进行表面钝化，以覆盖基体的第一面和设置于第一面的加热元件和多个传感元件。

进一步地，还包括步骤：在基体的第二面设置焊盘，并使焊盘电连接至导电路径。

本发明制造方法带来的有益效果是：

制造mems流量传感芯片时，分别在基体的第一面和第二面沉积氮化硅，对基体的表面进行钝化处理，以增强mems流量传感芯片的耐腐蚀性；并在基体开设通孔，向通孔填充导电材料，利用填充于通孔的导电材料形成mems流量传感芯片的导电路径，以实现mems流量传感芯片与相应模块的电连接；使加热元件和多个传感元件沉积至基体的第一面，并使之与导电路径连接，从而实现加热元件和多个传感元件与相应模块之间的信号传递；在基体的与加热元件相对的一面挖槽，使基体形成隔热腔，为加热元件提供与流体介质的热隔离，从而确保了加热元件的灵敏度。

利用上述制造方法获得的mems流量传感芯片，在实现mems流量传感芯片基本功能的同时，在封装时避免了绑定金属连线，从而具有较好的耐腐蚀性和较高的测量灵敏度。

本发明的第三个目的在于提供一种流量传感器，以解决现有传感芯片容易受到气体组分变化的影响，导致流量传感器应用受到限制的技术问题。

本发明提供的流量传感器，包括上述mems流量传感芯片。

本发明流量传感器带来的有益效果是：

通过在流量传感器中设置上述mems流量传感芯片，相应地，该流量传感器具有上述mems流量传感芯片的所有优势，在此不再一一赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的mems流量传感芯片的结构示意图；

图2为用于制造本发明实施例提供的mems流量传感芯片的过程示意图一；

图3为用于制造本发明实施例提供的mems流量传感芯片的过程示意图二；

图4为用于制造本发明实施例提供的mems流量传感芯片的过程示意图三；

图5为用于制造本发明实施例提供的mems流量传感芯片的过程示意图四；

图6为用于制造本发明实施例提供的mems流量传感芯片的过程示意图五；

图7为用于制造本发明实施例提供的mems流量传感芯片的过程示意图六；

图8为用于制造本发明实施例提供的mems流量传感芯片的过程示意图七；

图9为用于制造本发明实施例提供的mems流量传感芯片的过程示意图八；

图10为用于制造本发明实施例提供的mems流量传感芯片的过程示意图九；

图11为用于制造本发明实施例提供的mems流量传感芯片的过程示意图十；

图12为用于制造本发明实施例提供的mems流量传感芯片的过程示意图十一；

其中，图2至图12中仅示出了硅器件层，省略了绝缘层和芯片层。

附图标记说明：

100-基体；300-连接端；400-互连；500-表面钝化层；600-焊盘；

110-硅器件层；120-绝缘层；130-芯片层；140-通孔；150-第一沉台；160-第二沉台；170-基座；

111-第一面；112-第一氮化硅层；113-第一硅基体层；114-氧化硅层；115-第二硅基体层；131-第二面；132-第二氮化硅层；141-导电路径；171-斜面；

210-量热元件；220-第一飞行时间感测元件；230-加热元件；240-风速感测元件；250-感温元件；260-第二飞行时间感测元件。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。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。

如图1所示，本实施例提供了一种mems流量传感芯片，包括基体100和设置于基体100的多个传感元件，具体地，多个传感元件包括量热元件210、飞行时间感测元件和风速感测元件240，其中，飞行时间感测元件设置在风速感测元件240与量热元件210之间的流体流动路径上，基体100设置有加热元件230，加热元件230用于为飞行时间感测元件、量热元件210和风速感测元件240提供热量，飞行时间感测元件被配置为计量流体的体积流量和流体的热物性值，量热元件210和风速感测元件240被配置为计量流体的质量流量和流速。

该mems流量传感芯片在工作时，加热元件230工作，用于为飞行时间感测元件和风速感测元件240提供热量，加热元件230中，热调制波或热脉冲用于飞行时间感测，脉冲幅度用于量热感测。当流体经过该mems流量传感芯片时，量热元件210和风速感测元件240对流体的质量流量f(v，p，t)和速度进行测量，飞行时间感测元件则对流体的体积流量f(v)以及热物性值进行测量，具体地，在流体流动的过程中，流体的流动改变微热源的温度分布，量热元件210和风速感测元件240通过测量流体中的导热分子数量获得流体的质量流量和速度；飞行时间感测元件则根据流体的流速获得流体的体积流量和热物性。

这种mems流量传感芯片将用于测量流体质量流量的感测元件和用于测量流体体积流量及热物性的感测元件集成至同一基体100，从而能够同时获得流体的质量流量和体积流量及热物性，在测量过程中测量到气体组分变化的影响，从而能够消除组分变化的影响，实现与组分无关的质量流量测量。

需要说明的是，如果流体与质量流量f(v，p，t)的校准所使用的介质相同，则也可以根据上述测量值通过以下公式计算流体的压力值：p＝(t/(f(v)))×f(v，p，t)，其中，p是流动介质的压力值，t是流动介质的温度。以及，通过测量加热元件230的功率确定流体的热导k，并在静态时用飞行时间感测元件测量扩散系数d，根据d＝k/(ρxcp)，获得流体的热容量cp，其中，ρ为流体密度。

可替代地，mems流量传感芯片通过比较测得的质量流量值和从体积计算出的质量流量值及测量的温度和计算的压力的综合评估，来警示流体的组分或热特性与校准值或期望值的可能差异。

请继续参照图1，本实施例中，加热元件230为微加热器，微加热器同时为飞行时间感测元件和风速感测元件240提供热量。如此设置，减少了零部件的使用数量，从而减少了本实施例mems流量传感芯片的结构尺寸，利于mems流量传感芯片的小型化设计。

优选地，本实施例中，该mems流量传感芯片利用铂或掺杂的多晶硅作为传感元件以及微加热器的材质。铂是一种稳定的金属材质，具有出色的温度系数，可以实现所需的灵敏度，而掺杂的多晶硅可以使用标准的兼容金属氧化物半导体工艺制造。这两种材质均能够确保mems流量传感芯片输出的稳定性并提供所需的可靠性能。

请继续参照图1，本实施例中，多个传感元件中还包括感温元件250，具体地，感温元件250设置在风速感测元件240的上游，感温元件250用于感测流体的环境温度。

该mems流量传感芯片工作时，可以利用感温元件250对流体的环境温度进行测量，当感温元件250感受到流体的温度信号时，可以将温度信号反馈至加热元件230，使加热元件230可以在环境温度之上保持恒定的功率或恒定的温度，确保稳定的温度场，以相应温度(如：比流体环境温度高5℃)对流体进行加热，以保证对流体相应参数的精确测量。

优选地，感温元件250包括热电偶。如此设置，使得在非供电状态下，感温元件250便可感应到流体的温度变化的信号，从而将相应的温度控制信号反馈至加热元件230，以控制加热元件230启动，通过设定温度为流体进行加热。这种将感温元件250设置成热电偶的形式，实现了mems流量传感芯片的自动唤醒，省电节能，而可采用电池电源，用于无外接电源的各类应用。

需要说明的是，本实施例中，加热元件230和感热功能的传感元件可以统称为热敏元件，并且优选地通过电子束蒸发或物理气相沉积由稳定的高温系数材料制成，例如：铂、金、镍、坡莫合金和掺杂的导电多晶硅。特别地，可以将量热元件210或风速感测元件240制成热堆构造，从而可以使mems流量传感芯片的功耗最小化。为了优化材料稳定性和mems流量传感芯片性能的灵敏度，每个热敏元件的厚度优选在80-200nm，但最优选为100nm。

请继续参照图1，本实施例中，飞行时间感测元件的数量为两个，分别为第一飞行时间感测元件220和第二飞行时间感测元件260，两个飞行时间感测元件分别位于加热元件230的上游和下游或均位于下游。如此设置，使得该mems流量传感芯片能够满足双向流速的测量需求。

请继续参照图1，本实施例中，基体100可以包括依次层叠设置的芯片层130、绝缘层120和硅器件层110，多个传感元件均设置于硅器件层110。

通过将基体100设置为由芯片层130、绝缘层120和硅器件层110层叠的结构形式，其中，硅器件层110可作为隔热层，并提供必要的机械强度来削弱甚至是消除测量过程中对mems流量传感芯片的表面施加的压力。

请继续参照图1，本实施例中，基体100具有相背设置的第一面111和第二面131，其中，第一面111设置有第一氮化硅层112，第二面131设置有第二氮化硅层132，多个传感元件设置于第一氮化硅层112。

如此设置，使得基体100相背的两面均形成氮化硅层的薄膜，不仅能够抵抗流动介质施加的压力，从而保证基体100表面的平整度，而且，还具有一定的耐腐蚀性，可以防止由流体中可能的元素引起的腐蚀损坏。

具体地，硅器件层110的强度可以通过在制造过程中改变其厚度来调节，硅器件层110的中心变形d＝(α*p*b⁴)/(e*t³)，其中，α是在对支撑层施加均匀压力p的条件下的恒定值，b是第一氮化硅层112的边长，t是硅器件层110的厚度，e是第一氮化硅层112的杨氏模量。因此，对于应用中可以从d/b的偏差计算出的精度要求，可以为首选的mems流量传感芯片确定硅器件层110的厚度。

本实施例中，基体100设置有隔热腔，其中，隔热腔被配置为阻止加热元件230产生的热量向基体100传导。隔热腔的设置，为加热元件230提供与流体介质的热隔离，从而确保了加热元件230的灵敏度。

请继续参照图1，本实施例中，基体100开设有通孔140，通孔140填充有导电材料，以形成导电路径141，多个传感元件均电连接至导电路径141。

如此设置，实现了在传感芯片的背面创建接口的目的，从而可以消除mems流量传感芯片封装过程中的金属连线绑定过程，不仅可以提高连接的可靠性，而且，还可以减小mems流量传感芯片的尺寸，从而减小封装尺寸。在一些情况下，小尺寸的传感芯片也有利于对成本敏感的应用。

该mems流量传感芯片可以容易地进行批量制造，以用于具有规模化需求的民用燃气计量或医疗微流体的液体流量计量。在成本敏感度要求简单且低成本的消费类应用中，也可以使用该mems流量传感芯片。

本实施例还提供了一种制造方法，用于制造上述mems流量传感芯片，包括如下步骤：在基体100的第一面111和第二面131沉积氮化硅；在基体100开设通孔140，并向通孔140填充导电材料，以形成导电路径141；将加热元件230和多个传感元件沉积至基体100的第一面111，并与导电路径141连接；在基体100的与加热元件230相对的一面挖槽，以形成隔热腔。

如图2所示，制造mems流量传感芯片时，分别在基体100的第一面111和第二面131沉积氮化硅，具体地，在基体100的第一面111沉积第一氮化硅层112，在基体100的第二面131沉积第二氮化硅层132，对基体100的表面进行钝化处理，以增强mems流量传感芯片的耐腐蚀性。

优选地，第一氮化硅层112和第二氮化硅层132具有高电导率，或者轻硼掺杂。在其他实施例中，也可以重掺杂，例如：磷或硼。基体100的绝缘层120不导电且没有任何掺杂。并且，第一氮化硅层112由低压化学气相沉积法在第一面111沉积形成，第二氮化硅层132由低压化学气相沉积法在第二面131沉积形成。其中，第一氮化硅层112和第二氮化硅层132的厚度在100-300nm之间，优选为200nm。

如图3所示，上述步骤之后，还包括在基体100开设第一沉台150和第二沉台160，使基体100具有位于第一沉台150和第二沉台160之间的基座170，其中，第一沉台150用于安装感温元件250，第二沉台160用于形成导电路径141的接入点，基座170用于安装量热元件210、飞行时间感测元件和风速感测元件240。

经过上述步骤，第一沉台150为感温元件250提供了独立的安装空间，该安装空间远离第一氮化硅层112上设置的加热元件230，从而使得其测到的温度值能够更准确地代表流体温度。并且，可以将连接端300设置于第二沉台160，利用连接端300将传感元件与导电路径141相连，以实现信号传递。

如图4和图5所示，上述步骤之后，还包括在基体100开设通孔140，向通孔140填充导电材料，利用填充于通孔140的导电材料形成mems流量传感芯片的导电路径141，以实现mems流量传感芯片与相应模块的电连接。

请继续参照图4，具体地，在基体100开设通孔140时，可以直接在基体100上制作通孔140，也可以使其先洞穿一部分，而其余部分使用化学机械平面化方法去除。其中，通孔140的直径在50-2000nm之间，优选地，通孔140的直径为1000nm。

请继续参照图5，通孔140中填充的导电材料可以是金属，例如：镍、坡莫合金或金属铜，也可以是高掺杂的导电多晶硅，或导电聚合物，如：聚芘(ploypyrene)或聚咔唑(ploycarbazoles)。

如图6所示，上述步骤之后，还包括利用分步干法蚀刻工艺对基座170靠近导电路径141的立面进行加工，使基座170的尖锐边缘成为斜面171，并在加工得到的斜面171上沉积第一氮化硅层112，得到的基体100结构如图7所示。

经过上述步骤，可以建立金属化线的分步或平滑过渡或相互连接，避免因边缘陡峭产生奇异点，而导致连接中断或不可靠。

如图8所示，上述步骤之后，使加热元件230和多个传感元件沉积至基体100的第一面111，并使之与导电路径141连接，从而实现加热元件230和多个传感元件与相应模块之间的信号传递。

如图9所示，上述步骤之后，利用互连400将传感元件和加热元件230连接至导电路径141。需要说明的是，在将加热元件230和多个传感元件沉积至基体100的第一面111，并与导电路径141连接的这一步骤之前，可以对导电路径141的两端进行金属化处理。其中，互连400优选地通过电子束蒸发或物理气相沉积由金或铝或掺杂的导电多晶硅制成。

本实施例中，互连400的厚度优选在100-300nm的范围内，但是最优选为200nm，如此，能够优化材料稳定性和mems流量传感芯片的性能。

如图10所示，上述步骤之后，还包括对基体100第一面111的所有区域进行表面钝化，以覆盖基体100的第一面111和设置于第一面111的加热元件230和多个传感元件。如此设置，能够防止因流体内部的细小颗粒对加热元件230和传感元件以及互连400之间造成磨损，而损坏mems流量传感芯片，从而实现了对mems流量传感芯片的保护。

具体地，利用表面钝化层500实现对基体100第一面111和设置于第一面111的加热元件230和多个传感元件的覆盖。其中，用于表面钝化层500的材料具有优异的导热性，同时具有较好的机械强度，优选地，表面钝化层500的材质为使用等离子体增强化学气相沉积法沉积的氮化硅或碳化硅，其厚度范围在100-500nm之间，优选值为300nm，以获得最佳的表面覆盖路、机械强度和材料稳定性。

如图11所示，上述步骤之后，还包括在基体100的第二面131设置焊盘600，并使焊盘600电连接至导电路径141。

优选地，焊盘600通过电子束蒸发或物理气相沉积由金或铝或掺杂的导电多晶硅制成。最优选为金。焊盘600的厚度优选在100-300nm的范围内，但是最优选为200nm，如此设置，能够优化材料稳定性和本实施例mems流量传感芯片的性能。

如图12所示，上述步骤之后，还包括在基体100的与加热元件230相对的一面挖槽，使基体100形成隔热腔，为加热元件230提供与流体介质的热隔离，从而确保了加热元件230的灵敏度。

具体地，本实施例中，通过对基体100进行离子深蚀刻或使用例如氢氧化钾或氢氧化四甲铵的化学试剂的湿刻法化学蚀刻来制造隔热腔。可以通过湿刻法化学蚀刻去除硅器件层110下方或空腔上方的氧化硅层114，或者可以将其保留为硅器件层110及氮化硅层复合结构的一部分。制成隔热腔后，完成mems流量传感芯片的微加工过程，并准备进行切割和分离，然后再进行进一步封测。

利用上述制造方法获得的mems流量传感芯片，在实现mems流量传感芯片基本功能的同时，还具有较好的耐腐蚀性和较高的测量灵敏度。

请继续参照图2，硅器件层110包括依次层叠设置的第一硅基体层113、氧化硅层114和第二硅基体层115。需要说明的是，本实施例中，硅器件层110的结构与现有技术中提供的硅器件层110的结构相同，本实施例并未对此进行改进，故不再进行赘述。

该mems流量传感芯片的制造方法及制程具有以下特征：对于mems流量传感芯片产品，越高的产量其生产成本更为低廉。mems流量传感芯片的制造方法还使得mems流量传感芯片具有基本完全一致的特性，便于实现mems流量传感芯片的最终规模化生产。

本实施例还提供了一种流量传感器，包括上述mems流量传感芯片。

通过在流量传感器中设置上述mems流量传感芯片，相应地，该流量传感器具有上述mems流量传感芯片的所有优势，在此不再一一赘述。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

上述实施例中，诸如“上”、“下”等方位的描述，均基于附图所示。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。