一种具有微针结构热源的流量芯片的制作方法与流程

本发明涉及热式流量传感器，尤其是指一种具有微针结构热源的流量芯片的制作方法。

背景技术：

1、流量测量在日常生活、工业领域应用十分广泛。根据测量原理的不同，流量检测方式又可分为涡轮式、涡街式、超声波式、传热式等，其中热式流量传感器因结构简单、无机械零部件和测量精度高，近年来得到广泛应用。随着上世纪90年代mems技术的兴起，应用mems技术制作各种类型的热式流量传感器，具有测量精度高、功耗低、检测性能好等特点，使得基于mems技术的热式流量传感器得到了很大发展。

2、mems质量流量传感器包括中心加热元件与测温元件两部分。根据测温元件制作的工艺不同可分为热阻型和热电偶型。热阻型即传感器上测温电阻是通过金属溅射形成，而热电偶型则是通过 mems工艺加工成的热电偶对作为测温元件材料。多对热电偶对形成了热电堆结构，工作原理是以塞贝克效应为基础，通过接收探测物体发射的红外电磁波，在冷热端形成温度差，并将其转换为可测电信号来对物体温度进行检测。

3、传统热式流量传感器中的热源存在慢性响应问题，即热源温度的变化较为缓慢，响应速度较慢，这可能导致测量结果的滞后和不准确。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中热式流量传感器中的热源存在慢性响应导致测量结果的滞后和不准确的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种具有微针结构热源的流量芯片的制作方法，包括：

3、提供一衬底；

4、在所述衬底上制作多晶硅半导体层；

5、以所述多晶硅半导体层为光刻图形化基础，在所述衬底上分别制作mems热式流量传感器芯片的上游热电堆测温元件、下游热电堆测温元件和中心热源；

6、其中，所述中心热源的制作方法包括：

7、对所述多晶硅半导体层通过光刻图形化，形成中心热源层热电偶；

8、在所述中心热源层热电偶表面制作一层单层有序ps球阵列层；

9、将所述单层有序ps球阵列层表面通过磁增强反应离子刻蚀的方法蚀刻出一层微阵列微针微纳圆锥结构。

10、在本发明的一种实施方式中，所述对所述多晶硅半导体层通过光刻图形化，形成中心热源层热电偶的方法，包括：

11、将聚苯乙烯微球悬浮液与无水乙醇等体积混合；

12、对混合后悬浮液进行超声震荡处理，得到分散均匀的聚苯乙烯微球乙醇稀释液；

13、将样品利用双面胶固定在一块可移动的塑料平板上，以进行后续的自组装过程；

14、将聚苯乙烯微球乙醇稀释液利用表面张力的作用，在所述中心热源层热电偶表面进行自组装，采用气-液界面自组装方法，使聚苯乙烯按照一定的规律和有序性排列在所述中心热源层热电偶表面，形成所述单层有序ps球阵列层。

15、在本发明的一种实施方式中，所述聚苯乙烯微球悬浮液中微球的直径在500~1000nm之间。

16、在本发明的一种实施方式中，所述聚苯乙烯微球悬浮液为30μl，含量为2.5wt％。

17、在本发明的一种实施方式中，所述超声震荡处理过程中，超声频率设置为40khz，功率设定为1000w，超声震荡处理时间为30~60分钟。

18、在本发明的一种实施方式中，所述将所述单层有序ps球阵列层表面通过磁增强反应离子刻蚀的方法蚀刻出一层微阵列微针微纳圆锥结构的方法，包括：

19、采用六氟化硫和氧气作为刻蚀气体进行蚀刻；

20、蚀刻完成后，使用二氯甲烷将ps球洗去，在洗去过程中，ps球被溶解，构成在所述单层有序ps球阵列层表面的所述微阵列微针微纳圆锥结构。

21、在本发明的一种实施方式中，刻蚀过程中，刻蚀的电流为3a，六氟化硫气体流量在50~150sccm之间，氧气流量在10~50sccm之间，氧气压强维持在1~4pa，刻蚀功率控制在250w，刻蚀时间为140秒。

22、在本发明的一种实施方式中，所述在所述衬底上分别制作mems热式流量传感器芯片的上游热电堆测温元件、下游热电堆测温元件和中心热源的方法，包括：

23、在所述衬底上制作一层氮化硅支撑层；

24、在所述氮化硅支撑层表面制作一层第一第一导电类型多晶硅半导体层；

25、对所述第一第一导电类型多晶硅半导体层通过光刻图形化，形成上游测温热电堆下层热电偶、中心热源层热电偶和下游测温热电堆下层热电偶，并暴露出所述氮化硅支撑层表面；

26、在光刻图形化后的所述第一第一导电类型多晶硅半导体层上制作一层第一隔离层进行电绝缘隔离，所述第一隔离层分别覆盖所述上游测温热电堆下层热电偶、所述下游测温热电堆下层热电偶和所述氮化硅支撑层各自的表面，随后在所述第一隔离层表面制作一层第二导电类型多晶硅半导体层；

27、对所述第二导电类型多晶硅半导体层通过光刻图形化，形成位于所述上游测温热电堆下层热电偶上方的上游测温热电堆中层热电偶，以及位于所述下游测温热电堆下层热电偶上方的下游测温热电堆中层热电偶，并暴露出所述第一隔离层表面；

28、在光刻图形化后的所述第二导电类型多晶硅半导体层上制作一层第二隔离层进行电绝缘隔离，所述第二隔离层分别覆盖所述上游测温热电堆中层热电偶、所述下游测温热电堆中层热电偶和所述第一隔离层各自的表面，再通过光刻并沉积导电层，形成分别连接于所述上游测温热电堆中层热电偶和所述上游测温热电堆下层热电偶、以及连接于所述下游测温热电堆中层热电偶和所述下游测温热电堆下层热电偶的第一导线；

29、在制作第一导线后的所述第二导电类型多晶硅半导体层上制作一层第三隔离层进行电绝缘隔离，随后在所述第三隔离层表面制作一层第二第一导电类型多晶硅半导体层；

30、对所述第二第一导电类型多晶硅半导体层通过光刻图形化，形成位于所述上游测温热电堆中层热电偶上方的上游测温热电堆上层热电偶，以及位于所述下游测温热电堆中层热电偶上方的下游测温热电堆上层热电偶，并暴露出所述第三隔离层表面；

31、在光刻图形化后的所述第二第一导电类型多晶硅半导体层制作一层第四隔离层进行电绝缘隔离，所述第四隔离层分别覆盖所述上游测温热电堆上层热电偶、所述下游测温热电堆上层热电偶和所述第三隔离层各自的表面，再通过光刻并沉积导电层，形成连接于所述上游测温热电堆中层热电偶和所述上游测温热电堆上层热电偶、以及连接于所述下游测温热电堆中层热电偶和所述下游测温热电堆上层热电偶的第二导线；

32、在器件上沉积一层钝化层，以覆盖所述第四隔离层、所述第三隔离层表面、所述中心热源层热电偶、所述第一导线以及所述第二导线；

33、在本发明的一种实施方式中，所述导电层为铝，通过金属磁控溅射沉积形成。

34、在本发明的一种实施方式中，所述第一导电类型为n型，所述第二导电类型为p型；或者所述第一导电类型为p型，所述第二导电类型为n型。

35、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

36、本发明所述的一种具有微针结构热源的流量芯片的制作方法，通过在热源上方刻蚀成硅微针结构，因为微针的微纳结构的添加，可以减小整体热源热容，可以降低热源慢性响应，使得热源的温度变化更加灵敏和快速，提高了瞬态响应能力，热响应更快，同时，热容较小的热源需要耗费更小的能量就能达到稳定温度，减小热源热容可以降低能耗。热源的温度变化速度更快，意味着上下游测温元件采集的数据更为准确和精细，避免了热源温度过度波动带来的误差，提高整体芯片的精度。