热质量气体流量传感器及其制造方法

专利名称：：热质量气体流量传感器及其制造方法
技术领域：
：本发明的实施例主要涉及流量传感器，且具体而言，本发明的实施例主要涉及热质量气体流量传感器，如热空气流量传感器，和制造这种热气体流量传感器的方法。此外，本发明的实施例涉及以微机电系统(MEMS)器件的形式存在的热气体流量传感器.
背景技术：
：以MEMS器件的形式存在的热质量气体流量传感器被构造用以测量与该传感器接触的气体，如空气，的性质并且提供表示气体流速的输出信号。热质量气体流量传感器被构造用以对气体进行加热并且测量该气体的由此产生的热性质以便确定流速。这种热流量传感器通常包括微型传感器模具(die)，所述微传感器模具包括基板和被设置在所述基板上的用来对气体进行加热并感测气体热性质的一个或多个元件。微桥气体流量传感器，如授权给Johnson等的美国专利4,651,564中详细描述的装置，是热质量气体流量传感器的一个实例。微桥传感器包括流量传感器芯片，所述流量传感器芯片具有与芯片基板热绝缘的薄膜桥结构。一对温度感测电阻元件被布置在处于加热器元件的任一侧上的该桥的上表面上，从而使得当该桥被浸没在气体流中时，气体流对上游侧的温度感测元件进行冷却且促进了从加热器元件进行的导热从而由此对下游侧的温度感测元件进行加热。上游感测元件与下游感测元件之间的温差随着流速的增加而变大，通过将该感测元件包括在惠斯登电桥电路中而将所述温差转化为输出电压，从而使得可通过将输出电压与流速相关联而检测到气体的流速.在没有气体流动时，由于上游感测元件与下游感测元件处于相似的温度下，因此没有温差。令人遗憾的是，热质量气体流量计，特别是热质量空气流量传感器，容易由于反复或长期暴露于液体中而受损，这种反复或长期暴露于液体中的情况是由于液体冷凝或液体浸没而导致出现的。如果液体是导电的，例如液体为不纯的水，则这种损伤尤其严重且迅速。上面提到的问题表明，需要提供一种在感测环境中不那么易于失效的经过改进的热气体流量传感器。
发明内容下面对本发明进行概要说明以便促进对本发明所特有的创新特征中的一些创新特征的理解且所述概要说明并不旨在被视作充分的^L明。可通过将整个说明书、权利要求书、附图和摘要作为一个整体来获得对本发明的各个方面的充分理解。因此，一个方面是提供一种经过改进的热质量气体流量传感器。另一方面是提供一种更可靠的热质量气体流量传感器。现在，可正如本文所述地实现本发明的前述方面以及其它目的和优点。根据一个方面，一种热质量气体流量传感器可包括基板和被设置在所述基板上的至少一对热感测元件。加热器也被设置在所述基板上且位于所述热感测元件之间。所述热质量气体流量传感器可具有不同构型如微桥构型或微块(microbrick)构型。保护层至少被设置在所述加热器和/或所述热感测元件上。所述保护层包括耐高温绝缘或介电层，例如基于耐高温聚合物的层，如含氟聚合物薄膜.所述保护层使由于所述传感器暴露于液体而导致出现的腐蚀和树枝状生长最小化，由此使所述热气体流量传感器的可靠性最大化，所述液体尤其为水或其它导电液体。如果有必要，则介电或绝缘钝化层可被设置在所述感测元件和所述加热器上，从而使得所述钝化层介于所述保护层与所述基板之间。所述保护层优选是基于高温聚合物的层，如含氟聚合物。例如，所述保护层可以是聚四氟乙烯(PTFE)或氟化聚对二甲苯(fluorinatedparylene)薄膜。通过将含氟聚合物保护层设置在所述感测和加热器元件上，使得抑制了在所述元件与水之间进行的电化学反应，从而将由于水造成的所述元件的劣化降至最低程度.因此，提供了一种大体上防水的热质量气体流量计。此外，如果所述保护层还是疏水性的，正如所述聚四氟乙烯层的情况那样，则将会增强保护并加快从暴露于水的状态恢复到正常状态的恢复过程。根据另一方面，一种热气体微流量传感器具有基板和被设置在所述基板上的加热器。至少一对热感测元件被设置在所述基板上且位于所述加热器的任一侧。保护层至少被设置在所述加热器和/或所述热感测元件上.所述保护层包括基于耐高温聚合物的层。所述传感器可包括被设置在所述基板上的电互连装置，所述电互连装置被电连接到所述热感测元件和所述加热器上。所述保护层还可被设置在所述电互连装置上。导电线路或引线可被电连接到所'述互连装置上以便将所述温度感测元件和所述加热器连接至外部电路。所述保护层还可被设置在这些引线连接装置上。适宜地，可在位于所述基板上的包括所述引线连接装置在内的所有电元件上形成所述保护层，由此对所述传感器进行完全密封。所述传感器可包括在所述热感测元件和加热器上，且可选地在所述互连装置上，形成的钝化层，如氮化硅层(SiNx),所述钝化层被布置成介于所述基板与所述保护层之间。所述基板可具有在其上形成的微桥结构且所述热感测元件和加热器可被设置在所述微桥结构上，由此形成微桥流量传感器。另一种可选方式是，所述基板可被制成微块结构的形式，从而提供位于所述温度和加热元件下方的大体上固体的结构。所述保护层可以是选自包括聚四氟乙烯和氟化聚对二甲苯的组群中的至少一种含氟聚合物。根据又一实施例，一种制造热质量气体流量传感器的方法包括提供基板、在所述基板上形成至少一对温度感测元件、在所述基板上在所述至少一对温度感测元件之间形成加热元件、并且至少在所述温度感测元件和/或所述加热元件上形成保护层，其中所述保护层包括基于耐高温聚合物的层。形成所述保护层的方法可包括以蒸汽沉积方式将含氟聚合物薄膜沉积在所迷感测和加热元件上。该方法可进一步包括在所述基板上形成用于使信号在所述传感器述保护层。该方法可进一步包括在准备形成所述保护层之前将钝化层沉积在所述感测和加热元件上并且可选地沉积在所述电互连装置上。以下附图进一步示出了本发明且与对本发明做出的详细描述一起用来说明本发明的原理，其中相似的附图标记在各幅视图中表示相同或功能相似的元件且所迷附图被包括在说明书中并构成了该说明书的一部分。图1示出了根据一个优选实施例的热质量气体流量传感器的透视图2示出了在引线被结合到传感器上的情况下沿图1中的线A-A截取的剖面图3示出了根据另一实施例的热质量气体流量传感器的透视图；和图4示出了在引线被结合到传感器上的情况下沿图3中的线A-A截取的剖面图。具体实施例方式这些非限制性实例中讨论的特定值和构型可产生变化且仅被用来对本发明的至少一个实施例进行说明而并不旨在限制本发明的范围.参见附图，图1示出了从根据一个实施例的热质量气体流量传感器上方观察到的透视图且图2示出了在引线被结合到传感器上的情况下沿图1中的线A-A截取的剖面图。作为整体性概述，热质量气体流量传感器1具有基板2和被设置在该基板2上而位于一对热感测元件3、4之间的加热器5，所述一对热感测元件也被设置在该基板上。保护层8被设置在加热器5和热感测元件3、4上。该保护层8由耐高温绝缘或介电层制成，所述耐高温绝缘或介电层优选是有机层，如基于聚合物的层。该保护层使由于该传感器暴露于液体而导致出现的腐蚀和树枝状生长最小化，由此使该热气体流量传感器1的可靠性最大化，所述液体尤其为水或其它导电液体，下面会对带来这种效应的原因做更详细地说明。在图l和图2所示的热质量气体流量传感器的图示实施例中，流量传感器1被构造成微桥空气流量传感器芯片1，例如正如于1991年9月24日授权给Nishimoto等的题目为"微桥流量传感器(Microbridgeflowsensor)"的美国专利5,050,429中所披露地那样。该传感器有许多有利特征，例如极高的响应速度、高敏感性、低功率消耗以及良好的质量生产率。该微桥传感器1包括具有极小热容量的薄膜桥结构50，所迷薄膜被成形于基板2上的。尽管基板2通常由硅制成；然而，该基板也可由其它半导体或其它适当材料，如陶瓷材料，制成。通过各向异性蚀刻在基板2的中心部分中形成了通孔40以便与左开口41和右开口42连通.桥部分50可被一体成形于通孔40上方以便在空间上与以桥的形式存在的基板2隔离开来。结果使得桥部分50与基板2热绝缘。热感测元件3、4和位于其间的加热器5被形成为布置于桥部分50的上表面上的薄膜元件。热感测和加热元件3、4、5以电阻格栅结构的形式存在，所迷电阻格栅结构由适当金属如铂或坡莫合金制成。另一种可选方式是，可使用铬硅(CrSi)或掺杂硅薄膜电阻器或其它类型的硅基电阻器代替金属而作为感测和加热元件3、4、5,电互连装置ll被布置在基板上表面12的周部区域上而与感测和加热元件电接触，所述电互连装置包括导电接触焊盘(conductivecontactpads)。引线13或导电线路可借助于导电引线结合件14，例如通过所属领域已公知的钎焊，而被电连接到导电焊盘ll上，从而形成使得电信号能够在感测/加热元件3、4、5与外部电路(参见图2)之间通过的电互连装置。另一种可选方式是，可形成通过基板的导电通路以使加热器和/或元件3、4、5与位于基板的相对侧上的其它部件进行电互连，保护层8被形成于桥部分50的上表面上以便覆盖感测和加热元件3、4、5。保护层8具有相当高的电阻以便抑制电化学反应，同时又尽可能薄以便大体上使增加的热质量最小化，所述增加的热质量将会降低传感器敏感性。保护层8可被选择性地设置在感测和加热元件3、4、5上且优选还被设置在互连装置11和引线结合件14上，从而通过保护层8保护传感器上的所有电元件和电连接装置。另一种可选方式是，在保况下，该层8可被施加在传感器的整个上表面上。如果有必要的话，则可在准备通过引线结合方式将电引线14结合到导电焊盘11上之前，将保护层8选择性地沉积在传感器上。保护层8优选被设置在包封着加热/感测元件3、4、5的氮化硅(SiNx)钝化层6上，从而使氮化硅层6介于保护层8与基板2之间(参见图2).本领域的技术人员应该理解钝化层6可由除SiNx以外的绝缘或介电材料，如陶瓷，制成。在钝化层6的覆盖导电焊盘11的部分中形成开口或窗16以便将引线13结合到焊盘11的上表面上，保护层8优选被沉积在窗16上以便对窗进行密封。如果使用穿过基板形成的导电通路将互连装置11电连接到位于基板的相对侧上的部件上，则这种开口16并不是必需的。另一种可选方式是，包封层6可被省略且保护层8可被直接设置在加热/感测元件3、4、5上且如果必要的话则被设置在互连装置11上。在图l和图2所示的热气体流量传感器1的图示实施例中，保护层8是基于含氟聚合物的薄膜。这种基于含氟聚合物的保护层的有益之处在于它们通常具有优良的介电性质、对溶液、酸和碱具有高化学耐受性、且甚至在远高于100。C的温度下仍具有优良性能。例如，保护层8可以是基于聚四氟乙烯(PTFE)的薄膜。聚四氟乙烯也被称为特氟隆(Teflon)，Teflon是E.I.DuPontDeNemoursandCompanyCorporationDelaware1007MarketStreetWilmingtonDelaware19898的注册商标。可通过所属领域已公知的工艺来沉积聚四氟乙烯和其它含氟聚合物薄膜，所述已公知的工艺例如为在于2002年12月5日公开的且题目为"化学气相沉积的含氟聚合物间层的介电性"的Mocella等的公开号为US2002/0182321Al的美国专利申请中披露的含氟聚合物薄膜气相沉积，且所述专利申请在此作为参考被引用。沉积优选在低温基板上进行。用于进行低温基板沉积的适当涂覆设备的实例包括由9BlackstoneStreet,Suite1,Cambridge,MA02139的GVDCorporation供应的涂覆系统。聚四氟乙烯膜可被沉积达到小于约150jim(0.006英寸)且优选小于约25(0.001英寸)的厚度。该薄膜被制成尽可能地薄，同时实现大体上连续的覆盖率和大体上为零的孔隙率。可通过适当的掩模来沉积聚四氟乙烯膜8以便将该膜选择性地沉积在感测和加热元件3、4、5和互连装置ll上。聚四氟乙烯还是疏水层，这大大有助于将活性元件3、4、5电隔离开来。此外，疏水性加快了传感器在暴露于液体之后的干燥过程。可使用其它耐高温绝缘或介电层代替聚四氣乙烯膜8作为保护层8。例如，保护层可以是氟化聚对二甲苯化合物.可通过所属领域已公知的聚对二甲苯蒸汽沉积工艺来沉积氟化聚对二曱苯，所述工艺例如为在题目为"连续蒸汽沉积(Continuousvapordeposition)"且于1999年6月1日授权给Olson等的美国专利5,908,506中披露的这种工艺，且所述美国专利在此作为参考被引用。氟化聚对二甲苯的实例包括由7645WoodlandDriveIndianapolis,IN46278的SpecialtyCoatingsSystems(SCS)提供的HT型聚对二甲苯。HT型聚对二甲苯可在高达350°C的温度下连续运行且提供了优良的溶剂和介电保护以及最小化的机械应力。HT型聚对二甲苯可借助于由SCS提供的涂覆设备以蒸汽沉积方式被沉积在传感器上。已经确定的是，现有的质量流气体传感器之所以会由于重复或长期暴露于水和其它导电液体而产生失效，主要是感测和加热元件的电偶腐蚀导致电断路或者在传感器表面上出现了树枝状生长而造成的。短期失效也是由于通过导电液体出现的短路造成的。保护层8是耐高温层，所述耐高温层在本文中被定义为可耐受远高于水的沸点的温度的层，从而使得大体上消除了由于暴露于热的或沸腾的水或其它液体而形成的热点。因此，大体上使电偶腐蚀和树枝状生长最小化，从而使得与现有质量气体流量传感器相比，流量传感器1更为稳定且更不易于产生失效.通过将保护层8设置在感测和加热器元件上，使得抑制了元件与水之间的电化学反应，从而将由于水导致的元件劣化降至最低程度。因此提供了一种大体上防水的热质量气体流量计.此外，如果保护层还是疏水性的，例如正如图示实施例的聚四氟乙烯层8的情况那样，则将增强保护并加快从暴露于水的状态恢复正常状态的恢复过程.可借助于本领域的技术人员易于理解的半导体和集成电路制造技术来制造其上没有保护层的流量传感器。优选借助于晶片级加工技术批量生产传感器，随后将保护层沉积在流量传感器上，随后采用已公知的晶片切割方法对所述流量传感器进行单切处理(singulated)，即使其与相邻封装件隔开。随后采用标准表面安装印刷电路板(SurfaceMountingPCB)或混合微电路(Hybridmicrocircuit)净支术对传感器芯片进行组装和封装。现在将结合图l和图2所示的典型流量传感器对根据一个实施例的制造热质量气体流量传感器的方法进行描述。作为整体性概述，正如所属领域已公知地那样，起初提供硅基板2，并且将该成对的温度感测元件3、4、加热元件5、和互连装置11沉积在基板上。其后，在温度和加热元件上且优选在互连装置上形成包括耐高温介电层的保护层8,保护层8优选包括上面结合图1所示的传感器描述的含氟聚合物层.可在准备将引线13结合到互连装置11上之前或者在将该引线结合到互连装置上之后形成保护层8。保护层8可被直接沉积而与感测和加热元件3、4、5以及互连装置ll接触。然而，优选首先将SiNx或其它适当的绝缘或介电钝化层6沉积在基板2上以便包封住感测和加热元件3、4、5(参见图2),SiNx层6的有益之处在于，其使湿气向感测和加热元件3、4、5的扩散最小化。可通过化学气相沉积(CV)、低压化学气相沉积(LPCVD);等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、溅射或其它已公知的技术来沉积SiNx层6。所需的SiNx层的厚度大小通常为8000A.其后，对SiNx层6的覆盖互连的互连焊盘11的多个部分再次进行蚀刻以便在焊盘上方形成开口或窗16。可通过将被施加到基板上的光致抗蚀剂制成一定图案且随后向着结合焊盘ll对暴露出的SiNx进行等离子体蚀刻而再次对SiNx实施蚀刻，正如所属领域已公知地那样。随后可借助于等离子体和润湿的正性光致抗蚀条来去除光致抗蚀剂。用于将加热和感测元件电连接到外部电路上的引线13或线路随后通过引线结合件14被电连接到互连焊盘11上，如果在基板中形成穿过晶片的导电通路而不是形成导电焊盘11以便将感测和加热元件3、4、5连接到位于基板下侧上的部件上，则不必对SiNx层6再次进行蚀刻(etchingback)。随后以蒸汽沉积方式将保护层8沉积在位于感测和加热元件3、4、5以及互连装置11上方的钝化层6上并且沉积在窗16上而与引线结合件12和互连焊盘的暴露出的部分直接接触。如果在基板中形成穿过晶片的导电通路而不是形成导电焊盘11以便将感测和加热元件3、4、5连接到位于基板下侧上的部件上，则不必对SiNx层6再次进行蚀刻。本领域的技术人员应该理解图l和图2仅示出了实施例的一个实例，且应该理解实施例并不限于此。尽管图l和图2示出的图示实施例的热质量气体流量传感器包括微桥流量传感器，但所述传感器可具有除微桥结构以外的其它结构。例如，气体流量传感器可具有更适于在苛刻的环境条件下测量气体流性质的微块⑧或微填充结构。应该注意到术语微块⑧(Microbrick⑧)是Morristown，N.J的Honeywel1Inc.的注册商标。微结构流量传感器构。在于2004年9月21日授权的题目为"可集成的流体流量和性质微传感器组件(Integratable-fluidflowandpropertymicrosensorassembly)"的美国专利6,794,981中披露了这种微块热流量传感器的实例，所述美国专利在此作为参考被引用。图3示出了微块气体流量传感器的一个实例，图中示出了从根据一个实施例的微块气体流量传感器的上方观察到的透视图。图4示出了在引线被附接到传感器上的情况下沿图3中的线A-A截取的剖面图.根据一个实施例的气体流量传感器100通常包括微结构传感器模具110，所述微结构传感器模具具有基板102、被形成于基板102上的一对温度感测电阻元件103、104以及也^C形成于该基板上而介于所述温度感测元件之间的加热电阻元件105。与图1所示的第一实施例的气体流量传感器1的保护层8相同的保护层108被选择性地沉积以便覆盖感测和加热元件103、104、105且优选覆盖互连装置焊盘111和引线结合件114。微传感器模具110被制成微块⑧或微填充结构的形式，所述微块⑧或微填充结构例如为美国专利6,794,981中详细描述的结构。该微块结构包括材料块体，所述材料优选是低导热性材料，例如熔凝硅石、熔凝石英、硼硅酸盐玻璃或其它玻璃状材料，这使得提供了位于加热/感测元件103、104、105下方的大体上固体的材料。电阻元件103、104、105具有由适当金属如销或坡莫合金制成的格栅结构，所迷格栅结构与结合接触焊盘111相互连接，所述结合接触焊盘位于基板102的周部区域上，引线113可被结合到所述结合接触焊盘上以使信号在元件与外部电路之间通过。另一种可选方式是，可形成通过基板的导电通路以使元件103、104、105与位于基板的相对侧上的其它部件进行电互连。可使用铬硅(CrSi)或掺杂硅薄膜电阻器或其它类型的硅基电阻器代替铂而作为元件103、104、105'在如图1所示的图示实施例中，基板102由玻璃状材料制成以便提供结构上更坚固的气体流量传感器。为了感测高质量通量流速，提供具有低导热性的基板材料也是适宜的。如果导热性太低，则输出信号在中等通量(lg/cm<2>s)下就饱和了；但如果导热性太高，则输出信号就会变得很小。某些玻璃材料提供了更好的隔热特性(与硅相比)，因此增强了上述微加工流量和性质传感器的感测性能.使用玻璃还使得可提供更坚固的物理结构来备用。这些各种特性导致产生了可用于多种应用场合中的更通用的传感器。可借助于本领域的技术人员易于理解的半导体和集成电路制造技术来制造微传感器模具110.优选借助于晶片级加工技术批量生产传感器，且随后采用已公知的晶片切割技术对所述流量传感器进行单切处理，即，使其与相邻封装件隔开。正如图1所示的微流量传感器的情况那样，保护层108优选被设置在包封着加热/感测元件103、104、105的绝缘或介电钝化层106，例如氮化硅钝化层上，从而使氮化硅层106介于保护层108与基板102之间(参见图4)。然而，图3和图4所示的包封层106可被省略且保护层108可被直接设置在加热/感测元件103、104、105上'保护层108可由与图l所示第一实施例的传感器的保护层8相同的材料制成，保护层108的优点与保护层8的优点相同。本文所述的实施例和实例旨在对本发明及其实际应用场合进行最佳说明且旨在由此使得本领域的技术人员能够制造和利用本发明，然而，本领域的技术人员将易于认识到前面的描述和实例仅旨在实现说明和示例的目的。本领域的技术人员将易于理解本发明的其它变型和变化，且所附权利要求书旨在覆盖这种变型和变化。例如，在图示实施例中，热气体流量传感器具有成对温度感测元件和加热器，然而，该热质量气体流量传感器可具有任何数量的温度感测元件和/或加热器。所做出的说明并不旨在是穷举性的或者限制本发明的范围.可能在变型。应该预想到本发明的应用可涉及具有不同特性的部件.在充分认识到所有方面中的等效方式的情况下，本发明的范围旨在由本发明所附的权利要求书限定。下面对其中主张了排他性质或权利的本发明的实施例进行说明。在对本发明进行了描述的情况下，所主张的权利如下文所述。权利要求1、一种热质量气体流量传感器，所述热质量气体流量传感器包括基板和被设置在所述基板上的至少一对热感测元件；被设置在所述基板上且位于所述热感测元件之间的加热器；和至少被设置在所述加热器和/或所述热感测元件上的保护层，其中所述保护层包括耐高温绝缘或介电层。2、根据权利要求1所述的传感器，进一步包括被设置在所述感测元件和所迷加热器上的介电或绝缘钝化层，所述钝化层介于所述保护层与所述感测元件和所述加热器之间。3、根据权利要求1所述的传感器，其中所述保护层进一步包括基于聚合物的层.4、根据权利要求3所述的传感器，其中所述传感器被构造成微桥或微块气体流量传感器。5、根据权利要求3所述的传感器，其中所述聚合物包括含氟聚合物。6、一种热气体微流量传感器，所迷热气体微流量传感器包括基板；被设置在所述基板上的加热器；被设置在所述基板上且位于所述加热器的任一侧的至少一对热感测元件；和至少被设置在所述加热器和/或所述热感测元件上的保护层，其中所述保护层包括基于耐高温聚合物的层。7、根据权利要求6所述的传感器，进一步包括被设置在所述基板上的互连装置，所述互连装置被电连接到所述热感测元件和所述加热器上，所述保护层还^L设置在所述电互连装置上。8、一种制造热质量气体流量传感器的方法，所述方法包括提供基板；在所迷基板上形成至少一对温度感测元件；在所迷基板上在所述至少一对温度感测元件之间形成加热元件，并且至少在所述温度感测元件和/或所迷加热元件上形成保护层，其中所述保护层包括基于耐高温聚合物的层。9、根据权利要求8所述的方法，其中形成所述保护层的步骤包括以蒸汽沉积方式将含氟聚合物薄膜沉积在所述感测和加热元件上。10、根据权利要求9所述的方法，进一步包括在所述基板上形成用于使信号在所述传感器与外部电路之间通过的电互连装置；和还在所迷电互连装置上形成所述保护层。全文摘要一种热气体流量传感器和形成这种传感器的方法。所述传感器具有基板和被设置在所述基板上的加热器。至少一对热感测元件被设置在所述基板上且位于所述加热器的任一侧。保护层至少被设置在所述加热器和/或所述热感测元件上。所述保护层包括基于耐高温聚合物的层，所述基于耐高温聚合物的层优选是基于含氟聚合物的层。所述保护层还可覆盖同样被形成于所述基板上的互连装置和电连接装置以便对传感器进行完全密封。钝化层，如氮化硅层，可被设置在所述感测和/或加热元件上且可选地被设置在所述互连装置上且被布置成介于所述保护层与所述基板之间。文档编号G01F1/692GK101443635SQ200780016945公开日2009年5月27日申请日期2007年3月7日优先权日2006年3月10日发明者A·M·德米特里夫,C·M·布伦霍夫,R·W·格曼申请人:霍尼韦尔国际公司