微流体流量计及其制作方法与流程

本发明属于mems传感器设计及制造领域，特别是涉及一种基于cmos-mems工艺的微流体流量计及其制作方法。

背景技术：

微流控芯片技术(microfluidics)是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。

微流控芯片(microfluidicchip)是当前微全分析系统(miniaturizedtotalanalysissystems)发展的热点领域。微流控芯片分析以芯片为操作平台，同时以分析化学为基础，以微机电加工技术为依托，以微管道网络为结构特征,以生命科学为目前主要应用对象，是当前微全分析系统领域发展的重点。它的目标是把整个化验室的功能，包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在微芯片上，且可以多次使用。

微流控芯片是微流控技术实现的主要平台。其装置特征主要是其容纳流体的有效结构(通道、反应室和其它某些功能部件)至少在一个纬度上为微米级尺度。由于微米级的结构，流体在其中显示和产生了与宏观尺度不同的特殊性能。因此发展出独特的分析产生的性能。

微流控芯片具有液体流动可控、消耗试样和试剂极少、分析速度成十倍上百倍地提高等特点，它可以在几分钟甚至更短的时间内进行上百个样品的同时分析，并且可以在线实现样品的预处理及分。

微流控芯片是mems领域中针对于液体进行操控的集成芯片，目前常用的微流控器件有微泵、微阀、微混合器以及微反应腔，但缺少片上集成的微流体流量计。

基于以上所述，本发明提供一种基于cmos-mems工艺的微流体流量计，可实现cmos电路、传感器以及微流道的全集成，完成皮升级流量测量。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微流体流量计及其制作方法，用于解决现有技术中缺少片上集成的微流体流量计的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种微流体流量计的制作方法，所述微流体流量计的制作方法包括：1)提供一半导体衬底，基于cmos工艺于所述半导体衬底中制作第一温度传感器、第二温度传感器、加热单元及信号处理电路，其中，所述第一温度传感器与所述第二温度传感器设置于所述加热单元两侧；2)基于mems工艺制作通过所述第一温度传感器、所述加热单元及所述第二温度传感器的微通道；以及3)于半导体衬底背面刻蚀出与所述加热单元位置对应的空腔，以降低所述加热单元的热量损失。

优选地，对所述微通道的流体进行流量检测时，开启所述加热单元，热量所述第一温度传感器与所述第二温度传感器的热传输正比于所述微通道中所述流体的流量，基于所述第一温度传感器与所述第二温度传感器的差值获得所述流体的流量值。

进一步地，所述信号处理电路用于对所述第一温度传感器、所述加热单元及所述第二温度传感器进行信号处理，并进行运算以获得所述流体的流量值。

优选地，所述信号处理电路包括：第一放大电路，第二放大电路，加法器、减法器及延时电路，所述第一温度传感器及所述第二温度传感器分别所述第一放大电路及所述第二放大电路进行放大后进行信号运算，通过所述减法器的相减信号输出为流体流量信号，相减信号的极性表示流体流向，绝对值大小表示流体流量，通过所述加法器的相加信号再经过所述延时电路进行180度延迟后，反馈控制所述加热单元，形成共模负反馈。所述信号处理电路通过位于所述半导体衬底上的焊盘108引出。

优选地，步骤2)包括：2-1)于所述半导体衬底上形成微通道的侧壁材料；2-2)对所述侧壁材料进行图形化处理，形成通过所述第一温度传感器、所述加热单元及所述第二温度传感器的微沟槽侧壁；以及2-3)于所述微沟槽侧壁上覆盖干膜结构，以形成所述微通道。

优选地，所述微通道的侧壁材料包含聚合物、硅及玻璃所组成群组中的一种。

优选地，所述微通道的侧壁材料包含光敏聚合物，步骤2-2)采用光刻工艺对所述光敏聚合物进行图形化处理。

进一步地，所述光敏聚合物包含光敏聚酰亚胺。

本发明还提供一种微流体流量计，包括：半导体衬底，所述半导体衬底具有第一温度传感器、第二温度传感器、加热单元及信号处理电路，其中，所述第一温度传感器与所述第二温度传感器设置于所述加热单元两侧；微通道，通过所述第一温度传感器、所述加热单元及所述第二温度传感器；以及空腔，形成于所述半导体衬底背面且与所述加热单元位置对应，以降低所述加热单元的热量损失。

优选地，对所述微通道的流体进行流量检测时，开启所述加热单元，热量所述第一温度传感器与所述第二温度传感器的热传输正比于所述微通道中所述流体的流量，基于所述第一温度传感器与所述第二温度传感器的差值获得所述流体的流量值。

优选地，所述信号处理电路用于对所述第一温度传感器、所述加热单元及所述第二温度传感器进行信号处理，并进行运算以获得所述流体的流量值。

优选地，所述信号处理电路包括：第一放大电路，第二放大电路，加法器、减法器及延时电路，所述第一温度传感器及所述第二温度传感器分别所述第一放大电路及所述第二放大电路进行放大后进行信号运算，通过所述减法器的相减信号输出为流体流量信号，相减信号的极性表示流体流向，绝对值大小表示流体流量，通过所述加法器的相加信号再经过所述延时电路进行180度延迟后，反馈控制所述加热单元，形成共模负反馈。

优选地，所述微通道包括：微沟槽侧壁，形成于所述半导体衬底上，且所述微沟槽侧壁之间包含有第一温度传感器、第二温度传感器及加热单元；以及干膜结构，覆盖于所述微沟槽侧壁上，以形成所述微通道。

进一步地，所述微沟槽侧壁包含聚合物、硅及玻璃所组成群组中的一种，所述聚合物包含光敏聚酰亚胺。

如上所述，本发明的微流体流量计及其制作方法，具有以下有益效果：

本发明可以实现微流控系统的微流体流量的片上检测，实现传感器、信号处理电路以及微流道的全集成设计，增加了微流控芯片的集成度。

本发明的微流体流量计可以完成微流道流体流向和流速的测量，增加空腔的厚度可以防止热量通过硅衬底流失，使热量尽可能多的从向温度传感器和流道液体扩散，从而增加流量检测的灵敏度，增加加热单元的热量同样可以增加流速检测的灵敏度。

本发明采用共模负反馈的电路结构设计增加传感器的一致性，并降低噪声。

附图说明

图1显示为本发明的微流体流量计的结构示意图。

图2显示为本发明的微流体流量计的信号处理电路的电路结构示意图。

图3～图8显示为本发明的微流体流量计的制作方法各步骤所呈现的结构示意图，其中，图3及图4显示为图1中a-a’处的截面结构示意图，图5～图8显示为图1中b-b’处的截面结构示意图。

元件标号说明

101半导体衬底

102信号处理电路

103第一温度传感器

104第二温度传感器

105加热单元

106空腔

107微通道

108焊盘

109侧壁材料

110微沟槽侧壁

111干膜结构

201第一放大电路

202第二放大电路

203减法器

204加法器

205延时电路

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1～图8所示，其中，图3及图4显示为图1中a-a’处的截面结构示意图，图5～图8显示为图1中b-b’处的截面结构示意图，本实施例提供一种微流体流量计的制作方法，所述微流体流量计的制作方法包括：

如图1～图4所示，首先进行步骤1)，提供一半导体衬底101，基于cmos工艺于所述半导体衬底101中制作第一温度传感器103、第二温度传感器104、加热单元105及信号处理电路102，其中，所述第一温度传感器103与所述第二温度传感器104设置于所述加热单元105两侧。

所述半导体衬底101包含硅衬底、锗衬底、锗硅衬底、碳化硅衬底等，在本实施例中，所述半导体衬底101包含硅衬底。

所述第一温度传感器103及所述第二温度传感器104采用1:48的阵列三极管作为温度敏感模块将温度信号转换为电压信号，所述加热单元105采用小阻抗电阻直接外接电压源信号。本实例对微流体的驱动和流量的检测可以灵活准确的对流体进行操控。

所述信号处理电路102用于对所述第一温度传感器103、所述加热单元105及所述第二温度传感器104进行信号处理，并进行运算以获得所述流体的流量值。

如图2所示，所述信号处理电路102包括：第一放大电路201，第二放大电路202，加法器204、减法器203及延时电路205，所述第一温度传感器103及所述第二温度传感器104分别所述第一放大电路201及所述第二放大电路202进行放大后进行信号运算，通过所述减法器203的相减信号输出为流体流量信号，相减信号的极性表示流体流向，绝对值大小表示流体流量，通过所述加法器204的相加信号再经过所述延时电路205进行180度延迟后，反馈控制所述加热单元105，形成共模负反馈。本发明实现片上集成cmos信号处理电路102，并采用共模反馈电路减小噪声和外界干扰。

对所述微通道107的流体进行流量检测时，开启所述加热单元105，热量所述第一温度传感器103与所述第二温度传感器104的热传输正比于所述微通道107中所述流体的流量，基于所述第一温度传感器103与所述第二温度传感器104的差值获得所述流体的流量值。

如图1及图5～图7所示，然后进行步骤2)，基于mems工艺制作通过所述第一温度传感器103、所述加热单元105及所述第二温度传感器104的微通道107。

步骤2)包括：

如图5所示，首先进行步骤2-1)，于所述半导体衬底101上形成微通道107的侧壁材料109。

所述微通道107的侧壁材料109包含聚合物、硅及玻璃所组成群组中的一种。

优选地，所述微通道107的侧壁材料109包含光敏聚合物，在本实施例中，所述微通道107的侧壁材料109包含光敏聚酰亚胺。

如图6所示，然后进行步骤2-2)，对所述侧壁材料109进行图形化处理，形成通过所述第一温度传感器103、所述加热单元105及所述第二温度传感器104的微沟槽侧壁110。

步骤2-2)采用光刻工艺对所述光敏聚合物进行图形化处理，以获得通过所述第一温度传感器103、所述加热单元105及所述第二温度传感器104的微沟槽侧壁110。

本发明采用光敏聚合物，只需要通过一次光刻工艺即可获得图形化的聚合物材料，工艺非常简单，工艺精度高，可有效降低工艺成本。

如图7所示，最后进行步骤2-3)，于所述微沟槽侧壁110上覆盖干膜结构111，以形成所述微通道107，所述微通道107两端分别为流体入口与流体出口。所述微通道107可以与微泵结合，构成带流量检测的液体驱动单元。

如图1及图8所示，最后进行步骤3)，于半导体衬底101背面刻蚀出与所述加热单元105位置对应的空腔106，以降低所述加热单元105的热量损失。

在本实施例中，所述空腔106的面积大于所述加热单元105的面积，以进一步降低所述加热单元105的热量损失。

优选地，所述空腔106与所述加热单元105所夹的半导体衬底101的厚度为不大于50nm。

如图1～图2所示，本实施例还提供一种微流体流量计，包括：半导体衬底101、微通道107及空腔106。

所述半导体衬底101具有第一温度传感器103、第二温度传感器104、加热单元105及信号处理电路102，其中，所述第一温度传感器103与所述第二温度传感器104设置于所述加热单元105两侧。

所述微通道107通过所述第一温度传感器103、所述加热单元105及所述第二温度传感器104。所述微通道107包括：微沟槽侧壁110，形成于所述半导体衬底101上，且所述微沟槽侧壁110之间包含有第一温度传感器103、第二温度传感器104及加热单元105；以及干膜结构111，覆盖于所述微沟槽侧壁110上，以形成所述微通道107。进一步地，所述微沟槽侧壁110包含聚合物、硅及玻璃所组成群组中的一种，所述聚合物包含光敏聚酰亚胺。

所述空腔106形成于所述半导体衬底101背面且与所述加热单元105位置对应，以降低所述加热单元105的热量损失。

所述信号处理电路102用于对所述第一温度传感器103、所述加热单元105及所述第二温度传感器104进行信号处理，并进行运算以获得所述流体的流量值。

所述信号处理电路102包括：第一放大电路201，第二放大电路202，加法器204、减法器203及延时电路205，所述第一温度传感器103及所述第二温度传感器104分别所述第一放大电路201及所述第二放大电路202进行放大后进行信号运算，通过所述减法器203的相减信号输出为流体流量信号，相减信号的极性表示流体流向，绝对值大小表示流体流量，通过所述加法器204的相加信号再经过所述延时电路205进行180度延迟后，反馈控制所述加热单元105，形成共模负反馈。

对所述微通道107的流体进行流量检测时，开启所述加热单元105，热量所述第一温度传感器103与所述第二温度传感器104的热传输正比于所述微通道107中所述流体的流量，基于所述第一温度传感器103与所述第二温度传感器104的差值获得所述流体的流量值。

如上所述，本发明的微流体流量计及其制作方法，具有以下有益效果：

本发明可以实现微流控系统的微流体流量的片上检测，实现传感器、信号处理电路102以及微流道的全集成设计，增加了微流控芯片的集成度。

本发明的微流体流量计可以完成微流道流体流向和流速的测量，增加空腔106的厚度可以防止热量通过硅衬底流失，使热量尽可能多的从向温度传感器和流道液体扩散，从而增加流量检测的灵敏度，增加加热单元105的热量同样可以增加流速检测的灵敏度。

本发明采用共模负反馈的电路结构设计增加传感器的一致性，并降低噪声。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。