專利名稱：平膜式氣體流量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及流量傳感器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有流量傳感器主要以旋轉(zhuǎn)翼片式(葉片式)、卡門渦旋式、熱線式為主， 現(xiàn)有流量傳感器同利用硅微機(jī)械加工技術(shù)制造的平膜式氣體流量傳感器相比 結(jié)構(gòu)尺寸較大、功耗較高，且不易于批量生產(chǎn)，成本較高。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型是為了解決現(xiàn)有平膜式氣體流量傳感器結(jié)構(gòu)尺寸較大、功耗 較高，且不易于批量生產(chǎn)，成本較高的缺點(diǎn)，而提出了一種平膜式氣體流量 傳感器。
本實(shí)用新型的平膜式氣體流量傳感器由單晶硅片、絕緣層、過渡層、敏
感金屬層、鈍化保護(hù)層和電極組成；單晶硅片的上下表面分別生成有絕緣層， 所述絕緣層內(nèi)向外分別由二氧化硅層和氮化硅層組成，在上部的絕緣層上生 成有過渡層，過渡層的上部為敏感金屬層，沿垂直或平行于單晶硅片上表面 的晶向方向刻蝕過渡層和敏感金屬層為加熱電阻Rh、測溫?zé)崦綦娮鑂a和控 制電阻Rb，加熱電阻Rh、測溫?zé)崦綦娮鑂a和控制電阻Rb相互平行；單晶 硅片上表面的絕緣層、過渡層和敏感金屬層外部覆蓋有鈍化保護(hù)層，電極透 過鈍化保護(hù)層與敏感金屬層連接，電極由電極過渡層和電極層組成，電極過 渡層位于電極層和敏感金屬層之間；單晶硅片的底部開有一個平行于電阻刻 蝕方向截面為杯形的沉槽，所述截面為杯形的沉槽的上底面為上部絕緣層的 下底面，單晶硅片的底部還開有一個垂直于電阻刻蝕方向的矩形導(dǎo)流槽，截 面為杯形的沉槽通過矩形導(dǎo)流槽與外界連通。
利用硅微機(jī)械加工(MEMS)技術(shù)和集成電路工藝制造的平膜式氣體流量 傳感器。在以單晶硅片為襯底的材料上，用半導(dǎo)體工藝——氧化和LPCVD的 方法生成絕緣支撐層，采用電子束蒸發(fā)金屬鉻作為過渡層，再蒸發(fā)金屬鉑形 成敏感金屬層作為發(fā)熱體和熱敏元件，通過雙面光刻和等離子刻蝕的方法將 金屬鉑制作出金屬薄膜加熱電阻Rh和測溫?zé)崦綦娮鑂a,并將加熱電阻Rh和測溫?zé)崦綦娮柚谱髟趥鞲衅鞯闹醒?，再通過半導(dǎo)體各向異性腐蝕技術(shù)將發(fā)熱體 和熱敏元件與硅襯底之間形成高效的熱隔離區(qū)，在平膜式氣體流量傳感器的
背面采用硅微機(jī)械加工(MEMS)技術(shù)制作成截面為杯形的沉槽和矩形導(dǎo)流 槽，其中截面為杯形的沉槽和加熱電阻Rh、領(lǐng)[l溫?zé)崦綦娮鑂a，及其位于他們 之間的絕緣層和其上部的鈍化保護(hù)層構(gòu)成敏感薄膜，可以最大限度的減小熱 量散失，使傳感器具有響應(yīng)速度高、靈敏度高和功耗低的特點(diǎn)。矩形導(dǎo)流槽 為一個單側(cè)導(dǎo)流槽，且位于氣流的下端，可使傳感器芯片在封裝過程中表面 不產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，確保敏感薄膜的上下壓力平衡，減少了敏感薄膜形變的發(fā) 生，提高了產(chǎn)品的可靠性。同時，使傳感器可以直接粘接在陶瓷片或線路板 上，并通過引線鍵合將傳感器與外電路連接。該結(jié)構(gòu)的傳感器擴(kuò)展了流量傳 感器的封裝使用范圍。為防止各種氣體對敏感元件表面的腐蝕，我們采用 PECVD方法生長二氧化硅作為鈍化保護(hù)層，使其具有高效隔離保護(hù)作用。采 用金作為金屬電極，具有穩(wěn)定性高、耐腐蝕、易于壓焊的優(yōu)點(diǎn)。該平膜式流 量傳感器適用于工業(yè)、化工、農(nóng)業(yè)和汽車行業(yè)上對氣體流量的測量，它具有 結(jié)構(gòu)尺寸小、成本低適于標(biāo)準(zhǔn)集成電路線的批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。

圖1是本實(shí)用新型的制造方法中步驟一的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新 型的制造方法中步驟二的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本本實(shí)用新型的制造方法中步 驟三的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本實(shí)用新型的制造方法中步驟四的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是本實(shí)用新型的制造方法中步驟五的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本實(shí)用新型的 制造方法中步驟六的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本實(shí)用新型的制造方法中步驟七的 結(jié)構(gòu)示意圖；圖8和圖9是本實(shí)用新型的制造方法中步驟八的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖IO是本發(fā)明裝置的仰視圖。
具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖8和圖9說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的平膜 式氣體流量傳感器由單晶硅片l、絕緣層、過渡層4、敏感金屬層5、鈍化保 護(hù)層6和電極8組成；單晶硅片1的上下表面分別生成有絕緣層，所述絕緣 層內(nèi)向外分別由二氧化硅層2和氮化硅層3組成，在上部的絕緣層上生成有 過渡層4，過渡層4的上部為敏感金屬層5，沿垂直或平行于單晶硅片1上表面的晶向方向刻蝕過渡層4和敏感金屬層5為加熱電阻Rh、測溫?zé)崦綦娮?Ra和控制電阻Rb，加熱電阻Rh、測溫?zé)崦綦娮鑂a和控制電阻Rb相互平行； 單晶硅片1上表面的絕緣層、過渡層4和敏感金屬層5外部覆蓋有鈍化保護(hù) 層6，電極8透過鈍化保護(hù)層6與敏感金屬層5連接，電極8由電極過渡層 和電極層組成，電極過渡層位于電極層和敏感金屬層5之間；單晶硅片l的 底部開有一個平行于電阻刻蝕方向截面為杯形的沉槽，所述截面為杯形的沉 槽的上底面為上部絕緣層的下底面，單晶硅片1的底部還開有一個垂直于電 阻刻蝕方向的矩形導(dǎo)流槽10，截面為杯形的沉槽通過矩形導(dǎo)流槽10與外界 連通。所述的截面為杯形的沉槽和加熱電阻Rh、測溫?zé)崦綦娮鑂a，及其位 于他們之間的絕緣層和其上部的鈍化保護(hù)層構(gòu)成敏感薄膜。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同點(diǎn)在于所述的矩 形導(dǎo)流槽10設(shè)置在截面為杯形的沉槽的橫向軸心線上。其它結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系 與具體實(shí)施方式
一相同。本實(shí)施方式確保氣流平衡穩(wěn)定。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一或二不同點(diǎn)在于所述 的矩形導(dǎo)流槽10的寬度為150 250微米、深度為100 200微米。其它結(jié)構(gòu) 和連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一或二相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
三不同點(diǎn)在于所述的矩 形導(dǎo)流槽10的寬度為210微米、深度為150微米。其它結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系與具 體實(shí)施方式三相同。該尺寸設(shè)計既易于工藝上的實(shí)現(xiàn)，又可確保敏感薄膜9 的強(qiáng)度。同時，便于導(dǎo)流槽底部雜質(zhì)的清除。當(dāng)氣體流過芯片表面時，可使 敏感薄膜9底部的氣體易于快速與外界氣體進(jìn)行交換，減少敏感薄膜9形變 的發(fā)生。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一或四不同點(diǎn)在于加熱 電阻Rh設(shè)置在絕緣層上表面的縱向中心線上，測溫?zé)崦綦娮鑂a分別對稱設(shè) 置在加熱電阻Rh兩側(cè)的絕緣層的上表面。其它結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系與具體實(shí)施 方式一或四相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一或四不同點(diǎn)在于截面 為杯形的沉槽設(shè)置在單晶硅片1底部的縱向軸心線上。其它結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系 與具體實(shí)施方式
一或四相同。
具體實(shí)施方式
七結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方
式一或四不同點(diǎn)在于單晶硅片1為N型，晶向?yàn)?00，厚度為400微米的雙 面拋光單晶硅片。其它結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一或四相同。
具體實(shí)施方式
八結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方
式七不同點(diǎn)在于絕緣層中二氧化硅層2的厚度為0.85 1微米。其它結(jié)構(gòu)和 連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
七相同。
具體實(shí)施方式
九結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方
式八不同點(diǎn)在于絕緣層中氮化硅層3厚度為0.15 0.18微米。其它結(jié)構(gòu)和連 接關(guān)系與具體實(shí)施方式
八相同。
具體實(shí)施方式
十結(jié)合圖5說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方
式九不同點(diǎn)在于鈍化保護(hù)層6的厚度約0.8 1微米，鈍化保護(hù)層6為二氧化 硅。其它結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
九相同。
具體實(shí)施方式
十一本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十不同點(diǎn)在于所述的 電極8的電極過渡層為鉻電極過渡層，電極8的電極層為金電極層；厚度為
l微米。其它結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
十相同。
本發(fā)明內(nèi)容不僅限于上述各實(shí)施方式的內(nèi)容，其中一個或幾個具體實(shí)施 方式的組合同樣也可以實(shí)現(xiàn)發(fā)明的目的。
平膜式氣體流量傳感器的制造方法，其步驟如下-
步驟一絕緣層制作，如圖1所示；采用標(biāo)準(zhǔn)的清洗工藝對單晶硅片1
進(jìn)行清洗，然后在105(TC下分別對單晶硅片1的上下表面進(jìn)行氧化處理，進(jìn) 而生成絕緣層的二氧化硅層2;然后再采用LPCVD方法和低應(yīng)力淀積工藝，
在所述的二氧化硅層2的表面上淀積低應(yīng)力的氮化硅層3作為絕緣支撐層； 步驟二底面腐蝕窗孔制作，如圖2所示；在單晶硅片l下底面的氮化
硅層3上涂敷1.5-2.0微米的正性光刻膠，并通過光刻工藝形成腐蝕窗口； 然后采用等離子刻蝕工藝去除背面窗口內(nèi)的氮化硅層3和二氧化硅層2;
步驟三敏感金屬層5制作，首先采用標(biāo)準(zhǔn)的清洗工藝對單晶硅片1的
上下表面的氮化硅層3和腐蝕窗孔進(jìn)行清洗，然后采用電子束蒸發(fā)生長金屬
鉻作為過渡層4，再生長金屬鉑作為敏感金屬層5;最后在N2氣氛中進(jìn)行退 火；步驟四金屬薄膜電阻制作，如圖4所示；先采用雙面光刻工藝在敏感
金屬層5上形成加熱電阻Rh、測溫?zé)崦綦娮鑂a和控制電阻Rb的圖形，光 刻膠厚度為3.5-4.0微米；再采用等離子刻蝕工藝對過渡層4和敏感金屬層5 刻蝕，形成金屬薄膜電阻；
步驟五鈍化保護(hù)層6制作，如圖5所示；采用PECVD方法淀積二氧 化硅覆蓋在金屬薄膜電阻和刻蝕裸露出的絕緣支撐層上，形成鈍化保護(hù)層6;
步驟六引線孔7制作，如圖6所示；先在金屬薄膜電阻的鈍化保護(hù)層
6上進(jìn)行光刻，再通過等離子刻蝕方法去除鈍化保護(hù)層6形成電極引線孔7;
步驟七電極8制作，如圖7所示；先采用電子束蒸發(fā)在引線口內(nèi)蒸發(fā) 鉻形成電極過渡層；再蒸發(fā)金形成電極層，并光刻出金屬電極；最后在真空 氣氛中進(jìn)行合金，形成良好的歐姆接觸；
步驟八:截面為杯形的沉槽和矩形導(dǎo)流槽10的制作，如圖8和圖9所示; 采用微機(jī)械加工工藝將平膜式氣體流量傳感器的底部沿電阻刻蝕方向開有截 面為杯形的沉槽和垂直截面為杯形的沉槽的一個矩形導(dǎo)流槽10;
步驟九將腐蝕好的芯片，先用劃片機(jī)按分離槽分離出單個敏感單元， 再對每個敏感單元進(jìn)行性能測試，最后進(jìn)行封裝與電路調(diào)試。
權(quán)利要求1、平膜式氣體流量傳感器，其特征在于它由單晶硅片(1)、絕緣層、過渡層(4)、敏感金屬層(5)、鈍化保護(hù)層(6)和電極(8)組成；單晶硅片(1)的上下表面分別生成有絕緣層，所述絕緣層內(nèi)向外分別由二氧化硅層(2)和氮化硅層(3)組成，在上部的絕緣層上生成有過渡層(4)，過渡層(4)的上部為敏感金屬層(5)，沿垂直或平行于單晶硅片(1)上表面的晶向方向刻蝕過渡層(4)和敏感金屬層(5)為加熱電阻Rh、測溫?zé)崦綦娮鑂a和控制電阻Rb，加熱電阻Rh、測溫?zé)崦綦娮鑂a和控制電阻Rb相互平行；單晶硅片(1)上表面的絕緣層、過渡層(4)和敏感金屬層(5)外部覆蓋有鈍化保護(hù)層(6)，電極(8)透過鈍化保護(hù)層(6)與敏感金屬層(5)連接，電極(8)由電極過渡層和電極層組成，電極過渡層位于電極層和敏感金屬層(5)之間；單晶硅片(1)的底部開有一個平行于電阻刻蝕方向截面為杯形的沉槽，所述截面為杯形的沉槽的上底面為上部絕緣層的下底面，單晶硅片(1)的底部還開有一個垂直于電阻刻蝕方向的矩形導(dǎo)流槽(10)，截面為杯形的沉槽通過矩形導(dǎo)流槽(10)與外界連通。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的平膜式氣體流量傳感器，其特征在于矩形導(dǎo)流 槽(10)設(shè)置在截面為杯形的沉槽的橫向軸心線上。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的平膜式氣體流量傳感器，其特征在于矩形 導(dǎo)流槽(10)的寬度為150 250微米、深度為100 200微米。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的平膜式氣體流量傳感器，其特征在于加熱電阻 Rh設(shè)置在絕緣層上表面的縱向中心線上，測溫?zé)崦綦娮鑂a分別對稱設(shè)置在加 熱電阻Rh兩側(cè)的絕緣層的上表面。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的平膜式氣體流量傳感器，其特征在于截面 為杯形的沉槽設(shè)置在單晶硅片(l)底部的縱向軸心線上。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的平膜式氣體流量傳感器，其特征在于單晶 硅片(1)為N型，晶向?yàn)镮OO，厚度為400微米的雙面拋光單晶硅片。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的平膜式氣體流量傳感器，其特征在于絕緣 層中二氧化硅層(2)的厚度為0.85 1微米。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的平膜式氣體流量傳感器，其特征在于絕緣層中 氮化硅層(3)厚度為0.15 0.18微米。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的平膜式氣體流量傳感器，其特征在于鈍化保護(hù)層(6)的厚度約0.8 1微米。
10、根據(jù)權(quán)利要求9所述的平膜式氣體流量傳感器，其特征在于電極(8) 的電極過渡層為鉻電極過渡層，電極(8)的電極層為金電極層；厚度為1微米。
專利摘要平膜式氣體流量傳感器。它涉及流量傳感器領(lǐng)域，它解決了現(xiàn)有氣體流量傳感器結(jié)構(gòu)尺寸較大、功耗較高，且不易于批量生產(chǎn)，成本較高的缺點(diǎn)，它的單晶硅片的上下表面分別生成絕緣層，在上部絕緣層上依次生成過渡層和敏感金屬層，并刻蝕為加熱電阻、測溫?zé)崦綦娮韬涂刂齐娮璨⑾嗷テ叫校浑姌O透過覆蓋在單晶硅片上表面的鈍化保護(hù)層連接敏感金屬層，單晶硅片的底部開有一個平行于電阻刻蝕方向截面為杯形的沉槽，所述截面為杯形的沉槽的上底面為上部絕緣層的下底面，單晶硅片的底部還開有一個垂直于電阻刻蝕方向的矩形導(dǎo)流槽，截面為杯形的沉槽通過矩形導(dǎo)流槽與外界連通。它提高了傳感器的穩(wěn)定性和可靠性，具有響應(yīng)速度快和靈敏度高、功耗低的特點(diǎn)。
文檔編號G01F1/684GK201247082SQ20082009072
公開日2009年5月27日 申請日期2008年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月25日
發(fā)明者于海超, 博 傅, 姜國光, 寇文兵, 李海博, 震 王, 王長虹, 雷 田, 金建東, 虹 齊 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所