[發明專利]一種高性能MEMS流量傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 202110275554.2
• 申請日: 2021-03-15
• 公開（公告）號: CN113049053B
• 公開（公告）日: 2022-12-30
• 發明（設計）人: 不公告發明人
• 申請（專利權）人: 青島芯笙微納電子科技有限公司
• 主分類號: G01F1/688
• 分類號: G01F1/688;G01F1/684;G01F15/02;G01F15/04;G01L9/06
• 代理公司: 青島華慧澤專利代理事務所(普通合伙) 37247
• 代理人: 劉娜

本發明公開了一種高性能MEMS流量傳感器及其制備方法，該流量傳感器包括：SOI襯底，包括底層硅、埋氧層及頂層硅；腔體，包括第一腔體和第二腔體，均沿上下向貫穿底層硅；敏感材料層，位于所述埋氧層上，由部分所述頂層硅形成，包括溫度敏感元件、熱電堆、加熱器及壓力敏感元件；絕緣介質層，覆蓋所述敏感材料層，且局部刻蝕出接觸孔；金屬層，部分金屬層通過所述接觸孔連接所述敏感材料層。本發明采用具有較大塞貝克系數的P型/N型單晶硅作為熱電堆材料，可有效提高器件的靈敏度；此外，本發明在常規MEMS流量傳感器上集成制造了溫度敏感單元和壓力敏感單元，以便在不增設溫度和壓力傳感器的前提下對流量的測量結果進行補償，提高器件的檢測精度。

技術領域

本發明屬于流量測量技術領域，特別涉及一種高性能MEMS流量傳感器及其制備方法。

背景技術

流量測量是工業生產和科學研究的基本需求。流量傳感器種類繁多，其中，基于MEMS技術制作的熱溫差式流量傳感器因具有結構簡單、尺寸小、精度高、響應快、功耗低等諸多優點而得到廣泛應用。

MEMS熱溫差式流量傳感器主要由加熱器和對稱分布在其上下游的熱電堆(或熱敏電阻)組成。加熱器提供一定的功率以使器件表面溫度高于環境溫度，當無氣流時，表面溫度以加熱器為中心呈正態分布，上下游熱電堆具有相同的電信號；當有氣流時，氣體分子轉移熱量使表面溫度分布發生偏移，上下游熱電堆的電信號隨之產生差異，利用這種差異就可推算出氣體流量。靈敏度是流量傳感器最重要的指標之一，為提高流量傳感器的靈敏度，人們主要發展了三種技術方案：采用熱導率較小的懸浮膜結構來減小基底的熱耗散；采用具有更高塞貝克系數的熱電材料；采用更大的面積或更密的排列方式來增加熱電偶的對數。然而，隨著應用的不斷推廣和深入，流量傳感器的靈敏度亟需得到進一步提高。

此外，測量過程中，氣體溫度、壓力的變化都會使其熱平衡常數發生變化，進而引入測量誤差?，F有的方法通常選擇在流量傳感器前后增設溫度傳感器和壓力傳感器來對氣體的溫度、壓力進行測量，進而通過處理電路對流量的測量結果進行補償。這種方法雖然有效，但會大大增加傳感器的數量、體積和使用成本。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明提供了一種高性能MEMS流量傳感器及其制備方法，以在滿足小型化、低成本和批量生產要求的同時，有效提高器件的靈敏度和檢測精度。

為達到上述目的，本發明的技術方案如下：

一種高性能MEMS流量傳感器，包括：

SOI襯底，包括底層硅、埋氧層及頂層硅；

腔體，包括第一腔體和第二腔體，均沿上下向貫穿底層硅；

敏感材料層，位于所述埋氧層上，由部分所述頂層硅形成，包括溫度敏感元件、熱電堆、加熱器及壓力敏感元件；所述溫度敏感元件、加熱器和壓力敏感元件的材料為P型單晶硅或N型單晶硅；所述熱電堆由P型單晶硅和N型單晶硅兩種材料交替連接形成；

絕緣介質層，覆蓋所述敏感材料層，且局部刻蝕出接觸孔；

金屬層，部分金屬層通過所述接觸孔連接所述敏感材料層。

上述方案中，所述熱電堆的數量為兩個，且對稱分布在加熱器的兩側，所述熱電堆的熱端以及加熱器位于第一腔體的上方，所述熱電堆的冷端位于底層硅上方。

上述方案中，所述壓力敏感元件的數量為四個，且形成惠斯通電橋結構，壓力敏感元件位于第二腔體的上方。

上述方案中，所述絕緣介質層的材料為氧化硅、氮化硅中的一種或兩種組合。

上述方案中，所述接觸孔的形狀為圓形、矩形或十字花形，所述第一腔體和第二腔體的截面形狀為矩形或梯形。

上述方案中，所述金屬層的材料為鈦、鎢、鉻、鉑、鋁、金中的一種或多種組合。