專利名稱：一種硅杯結構的熱擴散率傳感器芯片及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及熱擴散率傳感器芯片技術領域，特別涉及一種硅杯結構的熱擴散率傳感器芯片及其制備方法，用于測量流體熱擴散率。
背景技術：
熱擴散率是反映物質導熱性能的物理量。要確定物質的熱擴散率一般可以通過理論計算和實驗測定兩種途徑。從理論計算方面，可以通過確定物質的導熱機理和分析物理模型，由數學分析和計算得到物質的熱擴散率。然而熱擴散率因物質成分和結構的不同而有較大差異，因此用理論的方法來確定十分困難，除少數物質外，其他很難從理論上計算出各種物質的熱擴散率。因此實驗測量時確定物質熱擴散率的重要途徑。
熱擴散率的測量方法可分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法是在待測樣品溫度分布穩(wěn)定后進行測量，依據穩(wěn)態(tài)的導熱微分方程直接得到熱擴散率。常用的穩(wěn)態(tài)法如水平平板法和 圓筒法等需要的測量時間較長、對環(huán)境要求苛刻(如測量系統(tǒng)的絕熱條件、測量過程中的溫度控制以及樣品的形狀尺寸等)以及通常需要較多的流體樣本。瞬態(tài)法則指測量過程中試樣溫度隨時間變化，依據非穩(wěn)態(tài)導熱微分方程，直接測得熱擴散率。常用的瞬態(tài)法主要有熱探針法和瞬態(tài)熱絲法。熱探針法雖然得到了廣泛的研究，然而由于測量時忽略探針自身熱容導致了熱探針法的測量精度不高。為提高其測量精度提出的瞬態(tài)雙熱絲法雖然能使測量精度得到一定的提高，但是測量裝置復雜而且操作不夠簡便。傳統(tǒng)的熱探針法通過熱電偶只能測量一點的溫度，且因為熱探針自身溫度不均勻而引起誤差。為克服此誤差采用封裝在針套內的銅絲同時作為加熱和測溫元件，從而得到熱探針整體的平均溫度。雖然能在一定程度上提高其測量精度，但都沒有考慮熱探針本身的熱容和直徑的影響，無法避免系統(tǒng)誤差。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種硅杯結構的熱擴散率傳感器芯片及其制備方法，整個芯片為硅杯結構，體積小巧，測量時整個傳熱過程在腐蝕的絕熱腔內進行，與外界之間可以起到良好的絕熱效果，測量精度高；傳感器芯片布局為一個正方形溫度傳感器位于中央，4個加熱器在其四周對稱分布，另有四個溫度傳感器位于加熱器外側；這種布局能充分的檢測各個方向的熱量傳遞從而得到更快的響應，同時又能檢測流體在不同方向上熱傳遞的差異；通過對4個加熱器選擇性的通電或者加載不同功率能得到更多數據使測量結果更加真實可信。為解決以上技術問題，本發(fā)明一種硅杯結構的熱擴散率傳感器芯片采用以下技術
方案一種硅杯結構的熱擴散率傳感器芯片，包括SOI晶片，該SOI晶片包括單晶硅、設置于單晶硅上的埋層二氧化硅和設置于埋層二氧化硅上的硅基底；硅基底上設有一個暴露出底部埋層二氧化硅的絕熱腔；絕熱腔的底面上設有若干加熱器、第一溫度傳感器和若干第二溫度傳感器，所述若干加熱器和若干第二溫度傳感器中心對稱的設置于第一溫度傳感器周圍，所述加熱器設置于第一溫度傳感器和第二溫度傳感器之間。優(yōu)選的，所述娃杯結構的熱擴散率傳感器芯片包括四個加熱器、一個第一溫度傳感器和四個第二溫度傳感器；第一溫度傳感器位于中心位置，四個加熱器和四個第二溫度傳感器以第一溫度傳感器為中心圍成兩個正方形。優(yōu)選的，加熱器、第一溫度傳感器和第二溫度傳感器的兩端分別連接有金屬引線。優(yōu)選的，絕熱腔底部設有一層覆蓋加熱器、第一溫度傳感器和第二溫度傳感器的氮化硅保護層。優(yōu)選的，所述單晶硅的底部設有二氧化硅層。優(yōu)選的，所述硅杯結構的熱擴散率傳感器芯片上設有貫穿二氧化硅層、單晶硅和
埋層二氧化硅的金屬引線孔，所述金屬引線穿過對應的金屬引線孔。優(yōu)選的，所述硅杯結構的熱擴散率傳感器芯片還包括PCB電路板；PCB電路板上設有若干PCB電路板焊盤；金屬引線末端的焊盤焊接于對應的PCB電路板焊盤上。優(yōu)選的，所述加熱器、第一溫度傳感器和第二溫度傳感器為鉻-鎳-鉬金屬薄膜；所述金屬引線為TiSi2-TiN-Al結構。優(yōu)選的，鉻-鎳-鉬金屬薄膜中鉻層、鎳層的厚度均為30nm JiSi2-TiN-Al結構中TiSi2層、TiN層的厚度均為50nm。為解決以上技術問題，本發(fā)明一種硅杯結構的熱擴散率傳感器芯片的制備方法采用以下技術方案硅杯結構的熱擴散率傳感器芯片的制備方法，其特征在于，包括以下步驟(I)選取SOI晶片，將SOI晶片在管式爐內在85(Tll50°C溫度下進行干法熱氧化，在SOI晶片上表面的單晶硅和下表面的硅基底上分別氧化形成厚度0. I u nTO. 3um的二氧化娃層；(2)對SOI晶片下表面的二氧化娃層光刻圖形窗口，并用HF溶液去除暴露于窗口中的二氧化硅層，形成二氧化硅掩蔽層；(3)將步驟2)得到的器件采用自停止?jié)穹涛g技術對下表面的硅基底進行腐蝕至埋層二氧化硅，在硅基底上形成一個絕熱腔；(4)用HF溶液去除SOI晶片下表面的二氧化硅層，然后將得到的器件倒置，使背腔朝上，采用濺射方法在絕熱腔底部暴露出的埋層二氧化硅上淀積0. I u nTO. 2 y m厚的鉻-鎳-鉬多層金屬薄膜，通過刻蝕鉻-鎳-鉬多層金屬薄膜形成加熱器、第一溫度傳感器和第二溫度傳感器；(5)在步驟4)得到的器件背面的二氧化硅層光刻，刻蝕形成多個分別連通加熱器、第一溫度傳感器和第二溫度傳感器的兩端的金屬引線孔，并采用濺射工藝在二氧化硅層表面淀積0. 2 u nTO. 3 ii m厚的TiSi2-TiN-Al結構的金屬引線層，經過正面光刻和ICP刻蝕后形成連接對應金屬引線孔內金屬引線的金屬引線層焊盤；(6)用低壓氣相淀積技術在步驟5)得到的器件正面淀積0. 2 u nTO. 3 u m厚的氮化
硅保護層，以覆蓋加熱器、第一溫度傳感器和第二溫度傳感器；(7)采用倒裝焊技術將金屬引線層焊盤與PCB電路板上對應的PCB電路板焊盤連接起來即形成所述硅杯結構的熱擴散率傳感器芯片。
本發(fā)明芯片在測量流體熱擴散率時，為避免流體揮發(fā)，將環(huán)境溫度設置為常溫或更低溫度，考慮到溫度傳感器響應的靈敏度及線性度，選用金屬鉬作為測溫材料，但是由于鉬與硅或二氧化硅襯底的粘附性差，采用在襯底與鉬之間增加粘附層，形成鉻-鎳-鉬多層金屬結構的加熱器和溫度傳感器，其中鉻、鎳層均為30nm。金屬引線使用鋁作為互聯金屬材料，考慮到鋁與硅接觸時的尖楔現象以及在較大的電流密度下的電遷移現象，沉積厚度分別為50nm的TiSi2作為接觸材料直接與硅接觸，50nm的TiN作為擴散阻擋層有效防止鋁向襯底擴散，形成TiSi2-TiN-Al結構層。本發(fā)明硅杯結構的熱擴散率傳感器芯片及其制備方法至少具有以下優(yōu)點(I)整個裝置為硅杯結構，工藝簡單易于制作，還可以采用倒裝焊技術簡化后續(xù)的封接鍵合工藝，可實現小體積傳感器的制作。(2)測量時整個傳熱過程在腐蝕腔內進行，與外界之間可以起到良好的絕熱效果。 (3)傳感器芯片布局為一個正方形溫度傳感器位于中央，4個加熱器在其四周對稱分布，另有四個溫度傳感器位于加熱器外側。這種布局能充分的檢測各個方向的熱量傳遞從而得到更快的響應，同時又能檢測流體在不同方向上熱傳遞的差異。通過對4個加熱器選擇性的通電或者加載不同功率能得到更多數據使測量結果更加真實可信。


圖I為本發(fā)明硅杯結構的熱擴散率傳感器芯片的平面結構圖；圖2為本發(fā)明硅杯結構的熱擴散率傳感器芯片的制備工藝示意圖。圖中的標號如下表示
權利要求
1.一種硅杯結構的熱擴散率傳感器芯片，其特征在于，包括SOI晶片，該SOI晶片包括單晶硅(4)、設置于單晶硅(4)上的埋層二氧化硅(5)和設置于埋層二氧化硅(5)上的硅基底(6);硅基底(6)上設有一個暴露出底部埋層二氧化硅(5)的絕熱腔；絕熱腔的底面上設有若干加熱器(I)、第一溫度傳感器(2 )和若干第二溫度傳感器(3 )，所述若干加熱器(I)和若干第二溫度傳感器(3 )中心對稱的設置于第一溫度傳感器(2 )周圍，所述加熱器(I)設置于第一溫度傳感器(2 )和第二溫度傳感器(3 )之間。
2.如權利要求I所述的一種娃杯結構的熱擴散率傳感器芯片，其特征在于所述娃杯結構的熱擴散率傳感器芯片包括四個加熱器(I)、一個第一溫度傳感器(2)和四個第二溫度傳感器(3);第一溫度傳感器(2)位于中心位置，四個加熱器(I)和四個第二溫度傳感器(3)以第一溫度傳感器(2)為中心圍成兩個正方形。
3.如權利要求2所述的一種娃杯結構的熱擴散率傳感器芯片，其特征在于加熱器(I)、第一溫度傳感器(2 )和第二溫度傳感器(3 )的兩端分別連接有金屬引線。
4.如權利要求3所述的一種娃杯結構的熱擴散率傳感器芯片,其特征在于絕熱腔底部設有一層覆蓋加熱器(I)、第一溫度傳感器(2)和第二溫度傳感器(3)的氮化硅保護層(9)。
5.如權利要求4所述的一種硅杯結構的熱擴散率傳感器芯片，其特征在于所述單晶硅(4)的底部設有二氧化硅層(7)。
6.如權利要求5所述的一種娃杯結構的熱擴散率傳感器芯片,其特征在于所述娃杯結構的熱擴散率傳感器芯片上設有貫穿二氧化硅層(7)、單晶硅(4)和埋層二氧化硅(5)的金屬引線孔(10)，所述金屬引線穿過對應的金屬引線孔(10)。
7.如權利要求6所述的一種娃杯結構的熱擴散率傳感器芯片,其特征在于所述娃杯結構的熱擴散率傳感器芯片還包括PCB電路板(12);PCB電路板(12)上設有若干PCB電路板焊盤(13);金屬引線末端的焊盤(11)焊接于對應的PCB電路板焊盤(13)上。
8.如權利要求I至7中任一項所述的硅杯結構的熱擴散率傳感器芯片的制備方法，其特征在于包括以下步驟 (1)選取SOI晶片，將SOI晶片在管式爐內在85(Tll50°C溫度下進行干法熱氧化，在SOI晶片上表面的單晶硅(4)和下表面的硅基底(6)上分別氧化形成厚度O. ΙμπΓΟ. 3μπι的二氧化硅層(7)； (2)對SOI晶片下表面的二氧化硅層(7)光刻圖形窗口，并用HF溶液去除暴露于窗口中的二氧化硅層(7)，形成二氧化硅掩蔽層； (3)將步驟2)得到的器件采用自停止?jié)穹涛g技術對下表面的硅基底(6)進行腐蝕至埋層二氧化硅(5)，在硅基底(6)上形成一個絕熱腔； (4)用HF溶液去除SOI晶片下表面的二氧化硅層(7)，然后將得到的器件倒置，使背腔朝上，采用濺射方法在絕熱腔底部暴露出的埋層二氧化硅(5)上淀積O. I μ πΓΟ. 2 μ m厚的鉻-鎳-鉬多層金屬薄膜，通過刻蝕鉻-鎳-鉬多層金屬薄膜形成加熱器(I)、第一溫度傳感器(2)和第二溫度傳感器(3)； (5)在步驟4)得到的器件背面的二氧化硅層(7)光刻，刻蝕形成多個分別連通加熱器(I)、第一溫度傳感器(2)和第二溫度傳感器(3)的兩端的金屬引線孔(10)，并采用濺射工藝在二氧化硅層(7)表面淀積O. ΙμπΓΟ. 2μπι厚的TiSi2-TiN-Al結構的金屬引線層(8)，經過正面光刻和ICP刻蝕后形成連接對應金屬引線孔(10)內金屬引線的金屬引線層焊盤(11); (6)用低壓氣相淀積技術在步驟5)得到的器件正面淀積0.2 u nTO. 3 u m厚的氮化硅保護層(9 )，以覆蓋加熱器(I)、第一溫度傳感器(2 )和第二溫度傳感器(3 ); (7)采用倒裝焊技術將金屬引線層焊盤(11)與PCB電路板(12)上對應的PCB電路板焊盤(13)連接起來即形成所述硅杯結構的熱擴散率傳感器芯片。
全文摘要
本發(fā)明提供一種硅杯結構的熱擴散率傳感器芯片及其制備方法，所述芯片包括SOI晶片，該SOI晶片包括單晶硅、設置于單晶硅上的埋層二氧化硅和設置于埋層二氧化硅上的硅基底；硅基底上設有一個暴露出底部埋層二氧化硅的絕熱腔；絕熱腔的底面上設有加熱器、第一溫度傳感器和第二溫度傳感器，加熱器和第二溫度傳感器中心對稱的設置于第一溫度傳感器周圍，加熱器設置于第一溫度傳感器和第二溫度傳感器之間。測量時傳熱過程在腐蝕的絕熱腔內進行，絕熱效果良好，測量精度高；該芯片能充分的檢測各個方向的熱量傳遞，響應快，同時又能檢測流體在不同方向上熱傳遞的差異；通過對4個加熱器選擇性的通電或者加載不同功率能得到更多數據使測量結果更加真實可信。
文檔編號G01N25/20GK102721721SQ20121020150
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月18日 優(yōu)先權日2012年6月18日
發(fā)明者劉志剛, 周睿, 李支康, 王曉坡, 蔣莊德, 趙玉龍, 趙立波 申請人:西安交通大學