[發明專利]微型流量傳感器的單片集成設計方法、制造方法及傳感器

在審

• 申請號: 202111490269.9
• 申請日: 2021-12-08
• 公開（公告）號: CN114186529A
• 公開（公告）日: 2022-03-15
• 發明（設計）人: 許威;李芝娟;方澤濤
• 申請（專利權）人: 深圳大學
• 主分類號: G06F30/398
• 分類號: G06F30/398;B81B7/02;B81C1/00;G06F117/08;G06F119/08
• 代理公司: 深圳市精英專利事務所 44242
• 代理人: 涂年影

本發明公開了微型流量傳感器的單片集成設計方法、制造方法及傳感器。單片集成設計方法包括：構建微加熱器的熱電耦合等效模型；對微帶線組件進行傳熱解析分析得到熱學信息，其中微帶線組件由微加熱器及兩對熱敏電阻組成；根據微加熱器的熱電耦合等效模型及恒溫差控制電路結構構建第一等效電路模型；并構建與兩對熱敏電阻對應的第二等效電路模型；對第一等效電路模型及第二等效電路模型進行力?熱?電耦合得到系統級等效電路模型。通過上述方法，可耦合具有熱物理性質的傳熱解析模型建立與溫濕度關聯的非線性系統級等效模型，以實現高效模擬溫濕度變化對傳感器輸出的影響，并可基于系統級模型快速對MEMS微結構及CMOS接口電路進行協同設計與優化。

技術領域

本發明涉及氣流傳感器的技術領域，尤其涉及一種微型流量傳感器的單片集成設計方法、制造方法及傳感器。

背景技術

CMOS-MEMS熱式流量傳感器是由MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微電子機械系統)微結構以及CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體)接口電路組成，其工作過程涉及計算流體動力學(CFD，Computational FluidDynamics)、熱學、電學多場耦合；而對于屬于MEMS傳感器這一類型的熱式流量傳感器而言，通常需要由互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術制造的電路對所檢測到的信號進行處理，例如模數轉換、放大、溫度補償、存儲或濾波以及系統測試的邏輯和通信功能的電路。隨著半導體技術的發展，人們為將MEMS結構與集成電路(IC)集成在單個CMOS基板上做出了巨大努力，CMOS-MEMS技術也已穩步應用于制造微型熱流量傳感器上，即所謂的單片CMOS-MEMS集成。

然而，由于微型流量傳感器的設計過程涉及到多個參量，如微懸橋尺寸、薄膜與流體熱物性參數、及接口電路參數等。現有的設計大多都是基于計算流體力學模擬或者“經驗”設錯法，過程繁瑣、效率低，且局限于微結構參數優化，無法預測電學響應特性，阻礙了傳感器的單片集成化設計。此外，現有傳感器設計方法多是基于固定的環境條件，忽略了溫濕度變化對流量傳感器性能的影響。因此，現有技術方法中微型流量傳感器的設計方法存在不完善以及設計效率較低的問題。

發明內容

本發明實施例提供了一種微型流量傳感器的單片集成設計方法、制造方法及傳感器，旨在解決現有技術方法中集成傳感器設計與性能優化方法不完善的問題。

第一方面，本發明實施例提供了一種微型流量傳感器的單片集成設計方法，其包括：

根據熱效應的金氏定律和能量守恒定律構建所述微加熱器的熱電耦合等效模型；

根據所述微型流量傳感器的傳熱解析模型對所述微帶線組件進行傳熱解析，以獲取所述微帶線組件對應的熱學解析信息；

根據所述熱電耦合等效模型及所述恒溫差控制電路的電路結構構建第一等效電路模型；

根據預置的阻值函數及所述熱學解析信息構建與所述兩對熱敏電阻對應的第二等效電路模型；

根據所述傳熱解析模型對所述第一等效電路模型及所述第二等效電路模型進行力-熱-電耦合，以得到與所述傳感器對應的系統級等效電路模型。

第二方面，本發明實施例提供了一種微型流量傳感器的單片集成制造方法，其包括：

通過互補型金屬氧化物半導體工藝在基片上制作得到流量傳感器及片上集成的接口電路；所述基片由硅基底及覆蓋于所述硅基底表層的二氧化硅層組成，所述流量傳感器嵌入設置于所述二氧化硅層的底部位置；

噴涂光刻膠以在所述流量傳感器的頂層沉積一層光刻膠覆蓋膜；

通過二氧化硅反應離子蝕刻，去除所述流量傳感器上層覆蓋的二氧化硅；

通過金屬Al干法刻蝕去除所述流量傳感器的微帶線組件上層用于阻擋氧化物反應離子蝕刻的金屬鋁；