一种MEMS流量传感器的制作方法及由此得到的流量传感器与流程

本发明属于流量测量，特别涉及一种mems流量传感器的制作方法及由此得到的流量传感器。

背景技术：

1、流量计量是工业生产和科学研究的基本需求。在诸多流量传感器品类中，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主要包括集成在同一基底上的三个单元：位于中心的加热元件和对称分布在其上下游的两个感温单元。加热元件通过焦耳热加热传感器表面，当无气体流动时，表面温度以加热元件为中心呈正态分布，上下游感温单元具有相同的电信号；当有气体流动时，气体分子转移热量使表面的温度分布发生偏移，上下游感温单元的电信号随之产生差异，利用这种差异就可推算出气体流量。

2、灵敏度是流量传感器最重要的指标之一，为提高mems热温差式流量传感器的灵敏度，人们主要发展了三种技术方案：采用热导率较小的悬膜结构来减小基底的热耗散；采用具有更高塞贝克系数的热电材料；采用更大的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，这些方法均不能满足对高灵敏度的要求。如上所述，mems热温差式流量传感器是通过测量因气体流动而造成的温度变化来反映气体流量的，其中起主要作用的是热传导和热对流。因此，通过改变悬膜结构来增大区域热阻、减少热量散失，有望进一步提高流量传感器的灵敏度。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种mems流量传感器的制作方法及由此得到的流量传感器，通过改变悬膜结构，增大区域热阻，提高流量传感器的灵敏度。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种mems流量传感器的制作方法，包括如下步骤：

4、提供一衬底，于所述衬底上形成牺牲层，并在所述牺牲层上刻蚀出窗口；

5、通过牺牲层上的窗口对所述衬底进行各向异性腐蚀，以在所述衬底上形成具有倒梯形截面的凹台，随后去除所述牺牲层；

6、于所述衬底及所述凹台的上表面形成支撑层，并在所述支撑层表面形成加热元件和感温元件，至少部分所述加热元件和所述感温元件形成在所述凹台的上方；

7、形成至少覆盖所述加热元件和感温元件的绝缘层，并在所述绝缘层上刻蚀出窗口；

8、在所述衬底上形成隔热腔体，所述凹台位于所述隔热腔体的上方。

9、上述方案中，所述凹台通过tmah溶液或koh溶液对所述衬底进行腐蚀形成，所述衬底的材质为(100)晶面的单晶硅。

10、上述方案中，所述牺牲层、所述绝缘层及所述窗口通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法形成。

11、上述方案中，所述牺牲层、所述支撑层、所述绝缘层的材质为氧化硅、氮化硅或二者的复合膜层，其中，氧化硅通过热氧化、lpcvd或pecvd工艺形成，氮化硅通过lpcvd或pecvd工艺形成。

12、上述方案中，所述隔热腔体采用背面工艺形成，即通过各向异性腐蚀、各向同性腐蚀或干法刻蚀的方法由所述衬底的下表面向内凹入贯穿整个衬底形成。

13、上述方案中，所述隔热腔体采用正面工艺形成，即通过各向异性腐蚀或各向同性腐蚀的方法由衬底的上表面向内凹入一定深度形成。

14、上述方案中，形成所述加热元件及感温元件的方法为：

15、在所述支撑层上形成具有预设图形的导电层；

16、或：

17、在所述支撑层上形成具有预设图形的第一导电层；

18、在所述第一导电层上形成第一绝缘层，并刻蚀出窗口；

19、在所述第一绝缘层上形成具有预设图形的第二导电层，部分所述第二导电层通过所述第一绝缘层上的窗口与所述第一导电层实现电学连接。

20、进一步的技术方案中，所述导电层、所述第一导电层、所述第二导电层的材质为掺杂多晶硅或金属，但所述第一导电层、所述第二导电层为不同材质；其中，掺杂多晶硅通过lpcvd、离子注入、高温退火的工艺组合形成，或通过多晶硅原位掺杂工艺形成，金属通过磁控溅射、干法刻蚀的工艺组合形成，或通过蒸镀、干法刻蚀的工艺组合形成，或通过lift-off工艺形成。

21、进一步的技术方案中，所述第一绝缘层的材质为氧化硅、氮化硅或二者的复合膜层，其中，氧化硅通过热氧化、lpcvd或pecvd工艺形成，氮化硅通过lpcvd或pecvd工艺形成，所述第一绝缘层上的窗口通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法形成。

22、一种流量传感器，所述流量传感器通过如上任一项所述mems流量传感器的制作方法制作而成。

23、通过上述技术方案，本发明提供的一种mems流量传感器的制作方法及由此得到的流量传感器，具有以下有益效果：

24、1、本发明基于mems技术制作的热温差式流量传感器，具有体积小、响应快、稳定性高等优点，且制备过程简单，与现行成熟的微加工工艺兼容，易于批量生产。

25、2、与常规mems流量传感器及其制作工艺相比，本发明通过在非平面膜结构上制作加热元件或其上下游的感温单元，选择性地增大了热阻，有利于减少区域热量散失，提高整体热利用效率，可在不增大传感器尺寸或提高传感器功耗的前提下，有效提高其灵敏度。

技术特征：

1.一种mems流量传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种mems流量传感器的制作方法，其特征在于，所述凹台通过tmah溶液或koh溶液对所述衬底进行腐蚀形成，所述衬底的材质为(100)晶面的单晶硅。

3.根据权利要求1所述的一种mems流量传感器的制作方法，其特征在于，所述牺牲层、所述绝缘层及所述窗口通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法形成。

4.根据权利要求1所述的一种mems流量传感器的制作方法，其特征在于，所述牺牲层、所述支撑层、所述绝缘层的材质为氧化硅、氮化硅或二者的复合膜层，其中，氧化硅通过热氧化、lpcvd或pecvd工艺形成，氮化硅通过lpcvd或pecvd工艺形成。

5.根据权利要求1所述的一种mems流量传感器的制作方法，其特征在于，所述隔热腔体采用背面工艺形成，即通过各向异性腐蚀、各向同性腐蚀或干法刻蚀的方法由所述衬底的下表面向内凹入贯穿整个衬底形成。

6.根据权利要求1所述的一种mems流量传感器的制作方法，其特征在于，所述隔热腔体采用正面工艺形成，即通过各向异性腐蚀或各向同性腐蚀的方法由衬底的上表面向内凹入一定深度形成。

7.根据权利要求1所述的一种mems流量传感器的制作方法，其特征在于，形成所述加热元件及感温元件的方法为：

8.根据权利要求7所述的形成加热元件和感温元件的制作方法，其特征在于，所述导电层、所述第一导电层、所述第二导电层的材质为掺杂多晶硅或金属，但所述第一导电层、所述第二导电层为不同材质；其中，掺杂多晶硅通过lpcvd、离子注入、高温退火的工艺组合形成，或通过多晶硅原位掺杂工艺形成，金属通过磁控溅射、干法刻蚀的工艺组合形成，或通过蒸镀、干法刻蚀的工艺组合形成，或通过lift-off工艺形成。

9.根据权利要求7所述的形成加热元件和感温元件的制作方法，其特征在于，所述第一绝缘层的材质为氧化硅、氮化硅或二者的复合膜层，其中，氧化硅通过热氧化、lpcvd或pecvd工艺形成，氮化硅通过lpcvd或pecvd工艺形成，所述第一绝缘层上的窗口通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法形成。

10.一种流量传感器，其特征在于，所述流量传感器通过如上任一项所述mems流量传感器的制作方法制作而成。

技术总结
本发明公开了一种MEMS流量传感器的制作方法及由此得到的流量传感器，制作步骤包括：提供一衬底，于衬底上形成牺牲层，并在牺牲层上刻蚀出窗口；在衬底上形成具有倒梯形截面的凹台，随后去除牺牲层；于衬底及凹台的上表面形成支撑层，并在支撑层表面形成加热元件和感温元件；形成至少覆盖加热元件和感温元件的绝缘层，并在绝缘层上刻蚀出窗口；在衬底上形成隔热腔体，凹台位于隔热腔体的上方。通过本发明制作方法得到的流量传感器，不仅具有体积小、响应快、稳定性高等优点，还利用凹台结构，选择性地增大区域热阻，有利于减少该区域热量散失，提高整体热利用效率，可在不增大传感器尺寸或提高传感器功耗的前提下，有效提高其灵敏度。

技术研发人员：田伟,林玉哲
受保护的技术使用者：青岛芯笙微纳电子科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27