[發明專利]熱堆式氣體質量流量傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 202011332941.7
• 申請日: 2020-11-24
• 公開（公告）號: CN112484800B
• 公開（公告）日: 2022-02-22
• 發明（設計）人: 王家疇;黃濤;李昕欣
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: G01F1/86
• 分類號: G01F1/86;G01K7/01;G01K7/02;B81C1/00
• 代理公司: 上海泰博知識產權代理有限公司 31451
• 代理人: 錢文斌

本發明提供一種熱堆式氣體質量流量傳感器及其制備方法，包括：(111)單晶硅襯底；與襯底相連接的隔熱薄膜，且共同圍成一個隔熱腔體；加熱元件；一對呈“”狀的熱電堆，位于隔熱薄膜下表面且對稱分布于加熱元件兩側，每個熱電堆尖端處兩條輪廓線的夾角為120°，熱電堆由至少一對懸掛于隔熱薄膜下表面的沿110晶向的P⁺單晶硅熱偶臂和N⁺單晶硅熱偶臂組成的P⁺單晶硅?N⁺單晶硅熱偶對構成，兩個熱偶臂及熱電堆與加熱元件之間通過隔離槽隔離。本發明的結構選擇塞貝克系數最大的單晶硅，且可在有限的尺寸下將熱偶臂的等效長度做的更長，提高傳感器的靈敏度；另外還可增大P⁺單晶硅?N⁺單晶硅熱偶對熱端與單晶硅加熱元件之間的間距，調整量程和測量精度。

技術領域

本發明屬于硅微機械傳感器技術領域，特別是涉及一種熱堆式氣體質量流量傳感器及其制備方法。

背景技術

近年來，由于人類全面進入智能信息化時代，對信息的測量和控制的需求越來越高。其中，對氣體流量的測量和控制在生物醫療，航空航天，工業自動化等領域具有重大的意義。隨著MEMS技術的不斷進步，基于MEMS技術制造的氣體質量流量傳感器以其靈敏度高、尺寸小、功耗低、響應時間快等優勢成為氣體流量傳感器未來發展的重要方向。此外，在流體測量中，由于被測流體的類型、性質等方面的不同，而導致需要不同的流量傳感器進行測量，因此給流量的檢測帶來了諸多的不便，從而給流量傳感器的尺寸和靈敏度等方面帶來了巨大的挑戰。在眾多的氣體流量傳感器中，熱堆式氣體質量流量傳感器以其器件結構簡單、信號處理方便等特點得到了廣泛的關注。因此，對于熱堆式氣體流量傳感器如何將其尺寸微型化，靈敏度最大化將成為目前研究的熱點問題。

熱堆式氣體質量流量傳感器的工作原理是利用塞貝克效應，通過測量流體通過時，中間加熱元件兩邊熱堆上下端溫度變化來確定流體流速的。目前，熱堆式氣體質量流量傳感器多是以塞貝克系數低的多晶硅-金屬組合，利用MEMS雙面體硅微機械加工工藝制作而成。2006年Rainer Buchner等人采用多晶硅-Ti/W作為熱電偶材料，利用硅深度反應離子刻蝕(DRIE)完成氮化硅薄膜下隔熱腔體的釋放[R.Buchner，C.Sosna,M.Maiwald，et al.Ahigh-temperature thermopile fabrication process for thermal flow sensors[J]。Sensors and Actuators:Physical，2006，130(2):262-266]，這種方法制作的熱堆式氣體質量流量傳感器存在以下幾點不足：a、利用DRIE從硅片背面進行深硅刻蝕制備隔熱空腔，不僅大大增加了制造成本且刻蝕過程中容易引起隔熱薄膜破裂，影響刻蝕工藝穩定性；b、采用塞貝克系數不高的多晶硅-金屬材料作為熱電偶材料，使得傳感器靈敏度受限，只能通過增加熱偶對方式來進一步提高檢測靈敏度。為了提高檢測靈敏度和降低制造成本，2016年意大利的Piotto等人采用表面微機械加工技術制作了一款熱電堆式氣體流量傳感器，通過采用獨立懸浮的多晶硅加熱電阻和熱電堆結構，大大降低了器件熱耗散，結合塞貝克系數較高的p型多晶硅和n型多晶硅材料作為熱偶臂，相比于傳統的多晶硅-金屬熱堆式氣體質量流量傳感器，靈敏度得到很大提高[Piotto，Massimo，Del Cesta，Francesco，Bruschi，Paolo.Integrated smart gas flow sensor with 2.6mW total power consumption and80dB dynamic range[J].Microelectronic Engineering,159:159-163]，整個器件由表面微機械工藝制造，因此制造成本較低，芯片尺寸也有一定的縮減。為了在此基礎上進一步提高熱堆式氣體質量流量傳感器靈敏度，縮小芯片尺寸和降低制造成本，中科院上海微系統與信息技術研究所的薛丹等人設計了一種以最高塞貝克系數的單晶硅和金屬作為熱偶對材料，采用單面三維體硅微機械加工技術制造出基于p⁺Si/金屬熱堆式氣體質量流量傳感器[D.Xue，F.Song，J.Wang，et al.Single-Side Fabricated p⁺Si/Al Thermopile BasedGas Flow Sensor and Low-Cost Volume Manufacturing[J].IEEE Transactions onElectron Devices，2019，66(1):821-824]，但是該傳感器存在一個嚴重不足：由于熱偶臂冷端是懸在隔熱薄膜下方，單晶硅襯底與冷端之間只能通過熱阻很大的隔熱薄膜相連，因此冷端熱量難以快速傳遞至單晶硅襯底中，導致冷熱端溫度差不能達到最大而限制了器件靈敏度的進一步提高。為了解決冷端熱量難以耗散至單晶硅襯底中這一難題，同樣是該課題組的王珊珊等人對該款氣體質量流量傳感器進行了改進，設計出一種“三明治”狀熱沉結構，將熱偶臂的冷端半埋入在單晶硅襯底中，通過很薄氮化硅鈍化層實現熱偶臂冷端與單晶硅襯底間的電學隔離，實現了在芯片尺寸不變條件下進一步提升了傳感器的檢測靈敏度[Wang Shanshan,Xue Dan，Wang Jiachou，Li Xinxin.Highly sensitive p+Si/Althermopile-based gas flow sensors by using front-sided bulk-micromachiningtechnology[J].IEEE Transactions on Electron Devices，2020，67(4):1781-1786]，但是，這種“三明治”狀熱沉結構的引入，不僅大大增加了傳感器結構的復雜性，影響傳感器的良率，而且工藝的復雜性也隨之增加，制造成本相應提高。