CN107328449A - 一种热电堆式气体流量传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热电堆式气体流量传感器及其制备方法，结构包括：衬底，具有一凹槽，开设于衬底上表面；第一介质膜，覆盖于凹槽上方，与衬底相连接，且与衬底共同围成一个隔热腔体；加热元件，位于第一介质膜表面；至少两个感测元件，位于第一介质膜上，且设置于加热元件两侧，包括至少一组单晶硅‑金属热偶对组，单晶硅‑金属热偶对组包括若干个单晶硅‑金属热偶对。通过上述方案结合本发明的单硅片单面制作技术，在普通单晶硅片上加工出赛贝克系数最高的P型单晶硅‑金热偶对，并将热偶对以及加热元件通过隔热腔体与衬底隔离，最大程度降低了加热电阻的热耗散，提高了传感器的检测灵敏度。此外，本发明传感器尺寸小、成本低、适于大批量生产。

Description

一种热电堆式气体流量传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于硅微机械传感器技术领域，特别是涉及一种热电堆式气体流量传感器及其制备方法。

背景技术

气体流量是工业生产过程、科学研究和各种经济核算的必要参数，气体流量的测量在工业生产中占有重要的地位。近些年来，由于过程工业、能量计量、城市公用事业对流量测量的需求急剧增长，其中热式流量传感器由于结构简单易于微型化而广泛应用。作为热式流量传感器的典型代表，热电堆式气体流量传感器主要有以下几点优势：温度输入即可作为它的能量输出，不需要电能来将热信号转为电信号；具有自产生效应，有温度差时才会有输出电压，所以输出电压无需补偿和零点漂移；此外，测试时只需电压表，操作便捷。因此，随着MEMS制造技术的不断进步，热电堆式气体流量传感器以其高性能、低成本、易于信号处理等优势在汽车电子、航空航天、生化医学等领域等到广泛应用。

热电堆式气体流量传感器的工作原理是基于塞贝克效应(Seebeck Effect)，测量因流体流动引起加热器两端温度非对称的变化量，从而确定流体流速。因此，提高热偶对塞贝克系数和减小器件尺寸是热电堆式气体流量传感器的发展趋势。

目前受制作工艺限制，在非SOI硅片上多采用塞贝克系数低的多晶硅-金属组合，通过增加热偶对数量或增加热偶对臂长方式来提高传感器检测性能；此外，热电堆式流量传感器多在(100)硅片上以双面微机械加工为主，这样制作的器件检测灵敏度低，并且芯片尺寸较大，制作成本高，不利于批量化制造。

同时，为了降低芯片尺寸、提高检测灵敏度，科学工作者也做了大量研究，但难以兼顾高灵敏度和微型化。

为了降低芯片尺寸，1999年G.Kaltsas等人用P型多晶硅-铝金属作为热偶材料，用多孔硅作为介质层采用单面微机械加工方式制造气体流量传感器[Kaltsas G,Nassiopoulou A.G.Novel C-MOS compatible monolithic silicon gas flow sensorwith porous silicon thermal isolation[J].Sensors and Actuators A:Physical,1999,76(1):133-138.]。这种热电堆式气体流量传感器虽然实现了单硅片单面制作，降低了芯片尺寸，但是这种工艺制备的热电堆式流量传感器具有以下几点不足：(1)无法实现单晶硅-金属热偶臂的制作，导致传感器检测灵敏度受到赛贝克系数限制；(2)多孔硅具有较大的内应力，在空气中长时间会出现不同程度的龟裂现象，会影响传感器的性能；(3)生成多孔硅的化学反应过程复杂，成型状况难以准确控制,这种缺陷会对传感器成品率带来不利影响；(4)这种多孔硅工艺的使用具有局限性，没有IC半导体代加工厂可以运行这样的特殊工艺；(5)多孔硅的热导率要远高于空气，导致所研制的传感器热耗散比较大。

为了提高检测灵敏度，2002年IHTM-IMTM公司的D.Randjeloviü等人用塞贝克系数高的p型单晶硅-金作为热偶材料研制气体流量传感器[Randjelovic D,Kaltsas G,LazicZ,et al.Multipurpose thermal sensor based on Seebeck effect[C],Proc.23rdInternational Conference on Microelectronics(MIEL 2002),2002,1:261-264.]。首先在N型硅衬底上重掺杂硼形成30μm宽P型单晶硅热偶臂；然后与金热偶臂组成热偶对；最后通过硅片背面湿法腐蚀减薄单晶硅来形成薄层单晶硅+SiO2隔热介质膜。该器件虽然在一定程度上提高了气体流量传感器的灵敏度，但是仍存在以下几点不足：(1)传感器加热电阻所在的介质膜为薄层单晶硅+SiO2组合而成，由于单晶硅热导系数大，导致传感器热耗散高进而一定程度上降低传感器的检测灵敏度；(2)背面湿法腐蚀减薄硅片到薄层单晶硅+SiO2介质膜，腐蚀时间不易控制，如果腐蚀时间过长会导致热偶对被腐蚀；(3)由(100)硅片湿法腐蚀特性可知，介质膜面积与单晶硅背面掩膜开口区域面积比值很小，硅片厚度越大，芯片尺寸越大，成本越高。

综上，传统热电堆式气体流量传感器难以兼顾高灵敏度和微型化。2016年Piotto等人采用P型多晶硅-N型多晶硅作为热偶对研制出一款折中方案的热电堆式气体流量传感器[Massimo Piotto,Francesco Del Cesta,Paolo Bruschi,Integrated smart gas flowsensor with 2.6mW total power consumption and 80dB dynamic range[J].Microelectronic Engineering,2016,159:159-163]。该芯片采用单硅片单面制作，芯片尺寸大大减小。此外，P型多晶硅-N型多晶硅热偶对的赛贝克系数(赛贝克系数约200μV/K)相对于以单晶硅为热偶臂的赛贝克系数(赛贝克系数约450μV/K)虽然要差很多，但是相对于P型多晶硅-金属热偶对要提高不少。因此，相对于以往报道的热电堆式气体流量传感器，Piotto等人研制的传感器除了灵敏度还有待提升外在制作工艺上取得很大的进步。但是，Piotto等人依然没能解决采用普通单晶硅片通过单硅片单面工艺制作P型单晶硅-金属热偶对的技术难题。

因此，设计一种可以解决现有技术中热耗散高、尺寸大、成本高、性能低等问题的热电堆式气体流量传感器实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种热电堆式气体流量传感器及其制备方法，用于解决现有技术中热电堆式气体流量传感器热耗散高、尺寸大、成本高、性能低等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种热电堆式气体流量传感器，包括：

衬底，具有一凹槽，所述凹槽开设于所述衬底的上表面；

第一介质膜，覆盖于所述凹槽上方，且与所述衬底相连接，所述第一介质膜与所述衬底共同围成一个隔热腔体；

加热元件，位于所述第一介质膜表面；以及

至少两个感测元件，位于所述第一介质膜上，且设置于所述加热元件的两侧，所述感测元件包括至少一组单晶硅-金属热偶对组，所述单晶硅-金属热偶对组包括若干个单晶硅-金属热偶对。

作为本发明的一种优选方案，所述第一介质膜包括若干个贯穿其上下表面的槽型结构，所述槽型结构与所述单晶硅-金属热偶对组平行设置且交替间隔排布。

作为本发明的一种优选方案，所述单晶硅-金属热偶对包括单晶硅热偶臂及金属热偶臂，所述单晶硅热偶臂位于所述第一介质膜靠近所述凹槽一侧的表面，所述金属热偶臂包括垂直部及水平部，所述垂直部贯穿所述第一介质膜与所述单晶硅热偶臂相连接，所述水平部与所述垂直部相连接且位于所述第一介质膜远离所述凹槽一侧的表面。

作为本发明的一种优选方案，所述加热元件位于所述第一介质膜靠近所述凹槽一侧的表面。

作为本发明的一种优选方案，所述衬底为(111)单晶硅。

作为本发明的一种优选方案，所述第一介质膜包括自下而上依次叠置的TEOS钝化层及氮化硅层，所述第一介质膜与所述衬底之间还包括氧化层。

作为本发明的一种优选方案，所述加热元件沿<110>晶向排布，所述单晶硅-金属热偶对沿<211>晶向排布。

作为本发明的一种优选方案，还包括第二介质膜，所述第二介质膜覆盖于所述单晶硅-金属热偶对组及其周围的所述第一介质膜的上表面，用于保护所述单晶硅-金属热偶对。

作为本发明的一种优选方案，还包括若干个引线焊盘，位于所述衬底上，且设置于所述加热元件及每个所述感测元件的两端。

作为本发明的一种优选方案，还包括环境电阻元件，设置于所述衬底上。

作为本发明的一种优选方案，所述环境电阻元件、所述加热元件以及所述单晶硅-金属热偶对中的单晶硅热偶臂均为硼掺杂的单晶硅。

本发明还提供一种热电堆式气体流量传感器的制备方法，所述制备方法为本发明所述提供的热电堆式气体流量传感器的制备方法，包括如下步骤：

1)提供一衬底，并于所述衬底上定义出加热元件区以及至少两个感测元件区，所述感测元件区位于所述加热元件区两侧，且包括至少一个单晶硅-金属热偶对组区，所述单晶硅-金属热偶对组区包括若干个单晶硅-金属热偶对区；

2)刻蚀所述衬底以形成第一沟槽，用于定义出加热元件以及单晶硅-金属热偶对中的单晶硅热偶臂所在的位置及厚度；

3)于所述第一沟槽侧壁形成侧壁保护层，并于形成有所述侧壁保护层的所述第一沟槽内沉积牺牲层；

4)于步骤3)所得到的结构表面沉积第一介质膜材料层，并刻蚀所述第一介质膜材料层至暴露出所述加热元件对应的衬底区域以形成加热元件连接孔，且暴露出所述单晶硅-金属热偶对中的单晶硅热偶臂对应的衬底区域以形成单晶硅热偶臂连接孔；

5)于步骤4)所得到的结构的表面沉积金属层并对其图形化，以形成所述单晶硅-金属热偶对中的金属热偶臂，所述金属热偶臂包括垂直部及水平部，所述垂直部贯穿所述第一介质膜材料层，所述水平部与所述垂直部相连接且位于所述第一介质膜材料层表面；

6)刻蚀步骤5)得到的结构以形成第二沟槽，所述第二沟槽位于相邻所述单晶硅-金属热偶对组区之间和/或所述单晶硅-金属热偶对组区与所述衬底之间；

7)以所述第二沟槽为窗口腐蚀部分所述衬底形成隔热腔体，以释放所述第一介质膜、和所述单晶硅热偶臂，其中，所述第一介质膜与所述衬底相连接，并与所述衬底共同围成所述隔热腔体，所述单晶硅热偶臂与所述金属热偶臂构成所述单晶硅-金属热偶对，并形成感测元件。

作为本发明的一种优选方案，步骤1)与步骤2)之间，还包括对所述加热元件区以及所述感测元件区进行硼掺杂的步骤。

作为本发明的一种优选方案，进行所述硼掺杂工艺后，还包括对硼掺杂后的结构进行退火的步骤。

作为本发明的一种优选方案，步骤3)中，于所述第一沟槽的侧壁形成侧壁保护层的具体步骤为：

3-1)于步骤2)得到的结构表面沉积侧壁保护材料层，所述侧壁材料保护层包括自下而上依次沉积的TEOS层和氮化硅层；

3-2)去除所述第一沟槽底部及其周围的所述衬底上的所述侧壁保护材料层，以形成位于所述第一沟槽侧壁的侧壁保护层。

作为本发明的一种优选方案，步骤5)与步骤6)之间，还包括于步骤5)所得到的结构表面沉积第二介质膜材料层的步骤，所述第二介质膜材料层用于保护所述感测元件。

作为本发明的一种优选方案，步骤6)中，形成所述第二沟槽的具体步骤包括：

6-1)刻蚀所述第二沟槽所在区域的第一介质膜材料层；

6-2)沿所述第二沟槽所在区域继续刻蚀预定深度，以形成所述第二沟槽。

作为本发明的一种优选方案，步骤1)中所述衬底为(111)单晶硅，步骤7)中所采用的腐蚀溶液为四甲基氢氧化氨溶液。

作为本发明的一种优选方案，步骤7)中，释放的所述第一介质膜包括若干个槽型结构，其中，所述槽型结构由所述第二沟槽形成，所述槽型结构与所述单晶硅-金属热偶对组平行设置且交替间隔排布。

如上所述，本发明的热电堆式气体流量传感器及其制备方法，具有以下有益效果：

1)本发明通过巧妙的结构设计和创新的单芯片单面制作技术，在普通(111)单晶硅片上加工出赛贝克系数最高的P型单晶硅-金热偶对；

2)本发明的热电堆式气体流量传感器将热偶对以及加热元件通过位于其正下方的隔热腔体与衬底隔离，最大程度降低了加热电阻的热耗散，大大提高了传感器的检测灵敏度；

3)本发明的整个流量传感器都是从单晶硅片的同一表面进行加工制作，因此芯片尺寸小，成本低，适于大批量生产。

附图说明

图1显示为本发明提供的热电堆式气体流量传感器的全局结构示意图。

图2显示为本发明提供的热电堆式气体流量传感器三维结构剖面示意图。

图3至图14显示为本发明的热电堆式气体流量传感器的制备工艺各步骤的结构示意图：

图3显示为本发明的气体流量传感器制备过程中提供衬底的结构示意图；

图4显示为本发明的气体流量传感器制备过程中定义加热元件及感测元件结构示意图；

图5显示为本发明的气体流量传感器制备过程中形成第一沟槽的结构示意图；

图6显示为本发明的气体流量传感器制备过程中沉积侧壁保护材料层的结构示意图；

图7显示为本发明的气体流量传感器制备过程中形成侧壁保护层的结构示意图；

图8显示为本发明的气体流量传感器制备过程中形成多晶硅牺牲层的结构示意图；

图9显示为本发明的气体流量传感器制备过程中形成第一介质膜材料层的结构示意图；

图10显示为本发明的气体流量传感器制备过程中形成单晶硅连接孔的结构示意图；

图11显示为本发明的气体流量传感器制备过程中形成金属热偶臂的结构示意图；

图12显示为本发明的气体流量传感器制备过程中形成第二介质材料层的结构示意图；

图13显示为本发明的气体流量传感器制备过程中形成第二沟槽的结构示意图；

图14显示为本发明的气体流量传感器制备过程中腐蚀释放隔热腔体的结构示意图；

图15显示为本发明的热电堆式气体流量传感器制备过程中的各步骤工艺流程图。

元件标号说明

1 衬底

11 凹槽

12 硼离子注入区

13 氧化层

14 第一沟槽

141 侧壁保护层

1411 TEOS层

1412 氮化硅层

142 多晶硅牺牲层

2 第一介质膜

21 槽型结构

22 第一介质膜材料层

221 氮化硅层

222 TEOS钝化层

23 单晶硅连接孔

3 加热元件

4 感测元件

41 单晶硅-金属热偶对组

411 单晶硅-金属热偶对

4111 金属热偶臂

4112 单晶硅热偶臂

5 环境电阻元件

6 引线焊盘

7 第二介质膜

71 第二介质膜材料层

8 第二沟槽

S1～S7 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图15。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

如图1、图2及图14所示，本发明提供一种热电堆式气体流量传感器，包括：

衬底1，具有一凹槽11，所述凹槽11开设于所述衬底1的上表面；

第一介质膜2，覆盖于所述凹槽11上方，且与所述衬底1相连接，所述第一介质膜2与所述衬底1共同围成一个隔热腔体；

加热元件3，位于所述第一介质膜2表面；以及

至少两个感测元件4，位于所述第一介质膜2上，且设置于所述加热元件3的两侧，所述感测元件包括至少一组单晶硅-金属热偶对组41，所述单晶硅-金属热偶对组41包括若干个单晶硅-金属热偶对411。

具体的，在本实施例中，所述加热元件3可以为加热电阻，所述感测元件4位于所述加热元件3的两侧，即上下游的位置，分别组成上、下游两个独立的热电堆检测电路。其中，所述单晶硅-金属热偶对组41可以为一组或者两组或多组，依实际需求而定，当单晶硅-金属热偶对组41为两组或多组时，所述单晶硅-金属热偶对组41首位连接，构成完整的检测线路。进一步，所述单晶硅-金属热偶对组41可以包含任意个单晶硅-金属热偶对411，如2～100个，依实际需求而定，在此不做具体限制，本实施例中选择为7个。

具体的，所述第一介质膜2的尺寸518μm×350μm×1.3μm，且所构成的隔热腔体的深度为40～60μm，优选为50μm，所述单晶硅-金属热偶对采用P型单晶硅-金金属材料组成，上、下游两个独立的热电堆均有21对热偶对组成，其中热偶对长度为100～180μm，优选为144μm，宽度为1～5μm，优选为3μm，厚度为0.1～0.8μm，优选为0.3μm，所述加热元件的总长度为300～380μm，优选为340μm，宽度为8～12μm，优选为10μm，其厚度为0.1～0.5μm，优选为0.3μm。

另外，本申请的热电堆式气体流量传感器的隔热腔体的设置使所述加热元件以及所述感测元件完全悬空与所述衬底，减少了本申请的硅体散热，在本实施例中，所述加热元件为加热电阻，所述感测元件包括P型单晶硅-金金属热偶对。

作为示例，所述第一介质膜2包括若干个贯穿其上下表面的槽型结构21，所述槽型结构21与所述单晶硅-金属热偶对组41平行设置且交替间隔排布。

具体的，所述槽型结构21使相邻所述单晶硅-金属热偶对组41之间以及所述单晶硅-金属热偶对组41与所述衬底1之间物理隔开，也就是说，各所述单晶硅-金属热偶对组41所对应的所述第一介质膜2是相互隔开的，并且设置所述单晶硅-金属热偶对组41的第一介质膜和不设置热偶对组的第一介质膜部分也是互相隔开的，也就实现了所述单晶硅-金属热偶对41与衬底的物理隔离，从而可以防止热量在介质膜之间传递，也就是说，使所述感测元件4的各单晶硅-热偶对组41之间完全通过空气相隔离，从而减少了本申请的硅体散热，提高了传感器的性能。另外，所述槽型结构21还可以设置于所述加热元件与所述感测元件之间的所述第一介质膜上，从而使二者通过空气相隔离，减少热损耗。

作为示例，所述单晶硅-金属热偶对411包括单晶硅热偶臂4112及金属热偶臂4111，所述单晶硅热偶臂4112位于所述第一介质膜2靠近所述凹槽11一侧的表面，所述金属热偶臂4111包括垂直部及水平部，所述垂直部贯穿所述第一介质膜2与所述单晶硅热偶臂4111相连接，所述水平部与所述垂直部相连接且位于所述第一介质膜2远离所述凹槽一侧的表面。

作为示例，所述加热元件3位于所述第一介质膜2靠近所述凹槽11一侧的表面。

具体的，在本实施例中，所述加热元件3以及所述单晶硅-金属热偶对411中的所述单晶硅热偶臂4112位于所述第一介质膜2的同一侧，而所述金属热偶臂4111位于与二者相对的所述第一介质膜2的另一侧，所述加热元件3与所述单晶硅热偶臂4112位于所述第一介质膜2的同侧，且位于靠近所述凹槽11的一侧，有利于减少热损耗，进一步保证热电堆式气体流量传感器的灵敏度，提高器件性能。另外，本实施例中所述单晶硅热偶臂可以为不同类型掺杂的单晶硅，所述金属热偶臂也可以为Pt、Ni、Au、Al、Cu等各种金属材料，在此不做具体限制。

作为示例，所述衬底1为(111)单晶硅。

具体的，所述衬底1可以为单晶硅、多晶硅、金属衬低、有机衬低、PCB衬低等各种衬低材料，在本实施例中，采用(111)单晶硅衬底，进一步可以为N型(或P型)的(111)晶面的单面(或双面)抛光的硅片，其可以改善传统的硅片(如(100)硅片)的诸多缺陷，如由(100)硅片湿法腐蚀特性可知，介质膜面积与单晶硅背面掩膜开口区域面积比值很小，硅片厚度越大，芯片尺寸越大，成本越高，并且所述加热元件和所述热敏元件所在的梁式结构需要沿(110)晶向偏斜一定的夹角才能实现梁结构湿法腐蚀释放，这就导致了传感器后续安装定位比较困难。

作为示例，所述加热元件3沿<110>晶向排布，所述单晶硅-金属热偶对411沿<211>晶向排布。

具体的，本发明的所述第一介质膜单元的设计，使加热元件3沿着<110>晶向排布，使所述单晶硅-金属热偶对411沿<211>晶向排布，从而保证了本发明的器件结构可以适应尺寸的缩小，保证了传感器的性能。另外，本实施例中，优选所述感测元件4于所述加热元件3两侧均匀对称分布，保证了传感器在使用过程中的热场的均匀分布，进一步提高了气体流量传感器的检测性能。

作为示例，所述第一介质膜2包括自下而上依次叠置的TEOS钝化层222及氮化硅层221，所述第一介质膜与所述衬底之间还包括氧化层。

作为示例，还包括第二介质膜7，所述第二介质膜7覆盖于所述单晶硅-金属热偶对组41及其周围所述第一介质膜2的上表面，用于保护所述单晶硅-金属热偶对。

具体的，所述第一介质膜包括低应力的TEOS钝化层222及低应力的氮化硅层221，其中，所述TEOS钝化层为低应力TEOS(正硅酸乙酯，Si(OC₂H₅)₄)钝化层。另外，当对本申请的定义了加热元件以及感测元件区的衬底进行退火后，还包括形成在所述第一介质膜与所述衬底之间的氧化层13，在其他实施例中，所述氧化层的形成工艺并不局限为退火工艺，还可以为沉积等工艺。

具体的，本实施例中，还包括设置在所述感测元件4***的第二介质膜7，所述第二介质膜7可以是二氧化硅保护层，也可以是氮化硅膜、二氧化硅和氮化硅复合膜、有机薄膜等各种具有绝缘特性的薄膜材料，其目的是与第一介质膜共同将部分所述单晶硅-金属热偶对包覆，以保护所有金属电阻结构不受外界影响，以增加器件的长期稳定性和可靠性。

作为示例，还包括若干个引线焊盘6，位于所述衬底1上，且设置于所述加热元件3及每个所述感测元件4的两端。

作为示例，还包括环境电阻元件5，设置于所述衬底1上。

作为示例，所述环境电阻元件5、所述加热元件3以及所述单晶硅-金属热偶对411中的单晶硅热偶臂4112均为硼掺杂的单晶硅。

具体的，本发明还包括环境电阻元件5，环境的温度可以直接利用所述环境电阻元件5直接测量和补偿，从而可以消除气体温度波动对测量结果的影响，从而提高流量检测的精度。优选地，所述环境电阻元件沿<110>晶向排布。另外，所述环境电阻元件5、所述加热元件3以及所述单晶硅-金属热偶对411中的单晶硅热偶臂4112优选为浓硼掺杂，以进一步提高器件性能。

如图1～15所示，本发明还提供一种热电堆式气体流量传感器的制备方法，所述制备方法为本发明所述提供的热电堆式气体流量传感器的制备方法，包括如下步骤：

如图3～4及图15中的S1所示，1)提供一衬底1，并于所述衬底1上定义出加热元件区以及至少两个感测元件区，所述感测元件区位于所述加热元件区两侧，且包括至少一个单晶硅-金属热偶对组区，所述单晶硅-金属热偶对组区包括若干个单晶硅-金属热偶对区；

具体的，所述加热元件区用于形成加热元件3，所述感测元件区用于形成感测元件4，所述感测元件4位于所述加热元件3的两侧，即上下游的位置，分别组成上、下游两个独立的热电堆检测电路。所述单晶硅-金属热偶对组41可以为一组或者两组或多组，依实际需求而定，当单晶硅-金属热偶对组41为两组或多组时，所述单晶硅-金属热偶对组41首位连接，构成完成的检测线路。进一步，所述单晶硅-金属热偶对组41可以包含任意个单晶硅-金属热偶对411，如2～100个，依实际需求而定，在此不做具体限制，本实施例中选择为7个。

作为示例，所述衬底1为(111)单晶硅。

具体的，所述衬底1的厚度可以为350～500μm，优选为430μm，其轴偏切为0±(0.01～0.5)°，优选为0±0.1°。所述衬底1可以为单晶硅、多晶硅、金属衬低、有机衬低、PCB衬低等各种衬低材料，在本实施例中，采用(111)单晶硅衬底，进一步可以为N型(或P型)的(111)晶面的单面(或双面)抛光的硅片，其可以改善传统的硅片(如(100)硅片)的诸多缺陷，如由(100)硅片湿法腐蚀特性可知，介质膜面积与单晶硅背面掩膜开口区域面积比值很小，硅片厚度越大，芯片尺寸越大，成本越高，并且所述加热元件和所述热敏元件所在的梁式结构需要沿(110)晶向偏斜一定的夹角才能实现梁结构湿法腐蚀释放，这就导致了传感器后续安装定位比较困难。

作为示例，步骤1)之后，还包括对所述加热元件区以及所述感测元件区进行硼掺杂的步骤。

作为示例，进行所述硼掺杂工艺后，还包括对硼掺杂后的结构进行退火的步骤。

具体的，定义所述加热元件区以及所述感测元件区的方法为：于所述衬底1表面热氧一定厚度的氧化层并形成一层光刻胶层，于所述氧化层和光刻胶层上形成所要定义的区域的开口，通过所述开口进行离子注入，在本实施例中优选为浓硼掺杂，注入剂量为5e¹⁵cm²～15e¹⁵cm²，优选为9e¹⁵cm²，注入能量为20～70Kev，优选为50Kev，注入了硼离子的硼离子注入区域12即为后续要形成加热元件、单晶硅-金属热偶臂的区域，另外，还可以包括后续的环境电阻元件区域。

进一步，本实施例还包括对掺杂硼的结构进行退火的步骤，退火时间约为1.5～2.5h，优选为2h，退火后表面生长一层氧化层13，所述氧化层的厚度为4000～6000埃，本实施例中，所述氧化层的厚度为5000埃，进一步保证器件的稳定性，如图4所示。

如图5及图15中的S2所示，进行步骤2)，刻蚀所述衬底以形成第一沟槽14，用于定义出加热元件3以及单晶硅-金属热偶对411的位置和高度；

具体的，所述第一沟槽14的作用是用于限定加热元件3以及单晶硅-金属热偶对411，以所述单晶硅-金属热偶对411为例，所述第一沟槽14设置于所述后续要形成的单晶硅-金属热偶对411的两侧，作为牺牲材料，在后续的腐蚀工艺中，所述第一沟槽内的填充物会被腐蚀掉，则保留了其两侧的部分，也即单晶硅-金属热偶对411的部分。进一步，其深度用于限制后续衬底腐蚀过程中的程度，进而限制了单晶硅-金属热偶对411的厚度。

如图6～8及图15中的S3所示，进行步骤3)，于所述第一沟槽14侧壁形成侧壁保护层141，并于形成有所述侧壁保护层的所述第一沟槽14内沉积牺牲层142；

作为示例，步骤3)中，于所述第一沟槽14的侧壁形成侧壁保护层141的具体步骤为：

3-1)于步骤2)得到的结构表面沉积侧壁保护材料层，所述侧壁材料保护层包括自下而上依次沉积的TEOS层1411和氮化硅层1412；

3-2)去除所述第一沟槽14底部及其周围的所述衬底1上的所述侧壁保护材料层1411、1412，以形成位于所述第一沟槽14侧壁的侧壁保护层141。

具体的，所述牺牲层142包括但不限于多晶硅层，其沉积工艺可以包括但不限于氧化、低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)等，所述侧壁保护层141以及所述牺牲层142用于在后续衬底腐蚀的步骤中被腐蚀掉，其起到保护所述加热元件3以及单晶硅-金属热偶对411的作用，进一步，所述氮化硅层1411的厚度为1000～3000埃，所述TEOS层1411的厚度为1000～3000埃，本实施例中，所述氮化硅层1412的厚度为2000埃，所述TEOS层1411的厚度为2000埃。

如图9～10及图15中的S4所示，进行步骤4)，于步骤3)所得到的结构表面沉积第一介质膜材料层22，并刻蚀所述第一介质膜材料层22至暴露出所述加热元件对应的衬底区域以形成加热元件连接孔，且暴露出所述单晶硅-金属热偶对中的单晶硅热偶臂对应的衬底区域以形成单晶硅热偶臂连接孔23；

具体的，所述第一介质膜材料层22用于作为支撑膜，其包括自下而上依次沉积的TEOS层以及氮化硅层，其中，所述TEOS层的厚度为1000～3000埃，所述氮化硅层的厚度为7000～9000埃，在本实施例中，所述TEOS层的厚度为2000埃，所述氮化硅层的厚度为8000埃，另外，该步骤的目的还在于制备金属热偶臂的连接孔23，其中，所述金属热偶臂的连接孔23的深度为1.2～2.5μm，在本实施例中为1.7μm。另外，还包括形成加热元件连接孔以及环境电阻元件连接孔的步骤，用于将加热元件以及环境电阻元件引出以实现电连接。

另外，当对本申请的定义了加热元件以及感测元件区的衬底进行退火后，还包括形成在所述第一介质膜与所述衬底之间的氧化层13，所述氧化层的厚度为4000～6000埃，本实施例中，所述氧化层的厚度为5000埃。在其他实施例中，所述氧化层的形成工艺并不局限为退火工艺，还可以为沉积等工艺。

如图11～12及图15中的S5所示，进行步骤5)，于步骤4)所得到的结构的表面沉积金属层并对其图形化，以形成所述单晶硅-金属热偶对中的金属热偶臂4111，所述金属热偶臂4111包括垂直部及水平部，所述垂直部贯穿所述第一介质膜材料层22，所述水平部与所述垂直部相连接且位于所述第一介质膜材料层22表面；

具体的，沉积所述金属层包括首先沉积一层Cr层，再于所述Cr层上沉积一层金属材料(如Au)的步骤，其中，Cr层的厚度为100～500埃，Au层的厚度为3000～8000埃，优选为5000埃。另外，所述图形化工艺包括但不限于离子束(Ionbeam)干法刻蚀，所述金属层形成工艺包括但不限于溅射法。

作为示例，步骤5)与步骤6)之间，还包括于步骤5)所得到的结构表面沉积第二介质膜材料层71的步骤，所述第二介质膜材料层71用于保护所述感测元件4。

具体的，所述第二介质膜材料层71可以是二氧化硅保护层，也可以是氮化硅膜、二氧化硅和氮化硅复合膜、有机薄膜等各种具有绝缘特性的薄膜材料，其目的是与第一介质膜共同将部分所述单晶硅-金属热偶对包覆，以保护所有金属电阻结构不受外界影响，以增加器件的长期稳定性和可靠性，其厚度为1000～5000埃，优选为3000埃。另外，所述第一介质膜材料层22以及所述第二介质膜材料层71的形成工艺可以包括但不限于氧化、低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)、溶胶凝胶工艺、有机材料涂覆固化工艺等。

具体的，还包括在该步骤中形成所述引线焊盘6的步骤，在刻蚀所述金属热偶臂时一同刻蚀形成，进一步，在形成所述第二介质膜材料层后，还包括去除所述引线焊盘6上的材料层的步骤，如可以采用BOE(Buffered Oxide Etch，缓冲氧化物刻蚀液)溶液腐蚀掉引线焊盘区域上方的SiO₂钝化层。

如图13及图15中的S6所示，进行步骤6)，刻蚀步骤5)所得到的结构以形成具有预设深度的第二沟槽8，所述第二沟槽8位于相邻所述单晶硅-金属热偶对组区之间和/或所述单晶硅-金属热偶对组区与所述衬底之间；

作为示例，步骤7)中，释放的所述第一介质膜2包括若干个槽型结构21，所述槽型结构由所述第二沟槽8形成，所述槽型结构21与所述单晶硅-金属热偶对组平行设置且交替间隔排布。

具体的，所述第二沟槽8用作后续进行衬底腐蚀的窗口，并且也进一步定义了所述衬底1中的所述凹槽11的深度，也即所述隔热腔体的深度，同时，所述第二沟槽8也作为后续形成所述槽型结构21的沟槽，其具***置为相邻所述单晶硅-金属热偶对组区之间、或者所述单晶硅-金属热偶对组区与所述衬底之间，即所述感测元件区的一侧，也可以同时位于以上几种位置，以实际需求而定，其横截面形状优选为为长宽比较大的方条形，其长边与所述单晶硅-金属热偶对同向。

作为示例，步骤6)中，形成所述第二沟槽8的具体步骤包括：

6-1)刻蚀所述第二沟槽8所在区域的所述第一介质膜材料层22；

6-2)沿所述第二沟槽所在区域继续刻蚀预定深度，以形成所述第二沟槽8。

具体的，步骤6-1)中的刻蚀可以采用反应离子刻蚀(RIE)，其中，步骤6-1)并可以形成位于所述第一介质膜上的所述槽型结构21，步骤6-2)中的刻蚀可以采用深硅反应离子刻蚀(Deep-RIE)，当然，也可以采用其他刻蚀工艺，如电感耦合反应离子刻蚀(ICP)、离子束刻蚀(IonBeam)、湿法腐蚀、聚焦离子束刻蚀(FIB)、激光扫描刻蚀等各种刻蚀技术。在其他实施例中，所述具有预设深度的沟槽也可以一次刻蚀形成。其中，经过步骤6-2)的刻蚀便定义了衬底中的所述凹槽的深度，即所述第二深度，也即所述隔热腔体的深度，可以为40～60μm，在本实施例中，优选为50μm。这里，所述的“所述第二沟槽所在区域”是指最终形成所述第二沟槽时的所述第二沟槽的位置所对应的第一介质膜材料层以及衬底的区域。

另外，当于步骤5)所得到的结构表面沉积第二介质膜材料层71时，步骤4-1)的刻蚀刻蚀掉第一介质膜材料层的同时还刻蚀掉了第二介质膜材料层。

如图14及图15中的S7所示，进行步骤7)，以所述第二沟槽8为窗口腐蚀部分所述衬底形成隔热腔体，以释放所述第一介质膜2和所述单晶硅热偶臂4112，其中，所述第一介质膜2与所述衬底1相连接，并与所述衬底1共同围成所述隔热腔体，所述单晶硅热偶臂4112与所述金属热偶臂4111构成所述单晶硅-金属热偶对411，并形成感测元件4。

作为示例，步骤1)中所述衬底为(111)单晶硅，步骤7)中所采用的腐蚀溶液为四甲基氢氧化氨溶液。

具体的，在其他实施例中，MEMS体硅腐蚀技术还可以是氢氧化钾(KOH)溶液腐蚀、氟化氙(XeF)等各种硅材料腐蚀技术。

另外，在上述步骤完成后，还包括激光划片，以获取所需的器件结构的步骤。

综上所述，本发明提供一种热电堆式气体流量传感器及其制备方法，包括：衬底，具有一凹槽，所述凹槽开设于所述衬底的上表面；第一介质膜，覆盖于所述凹槽上方，且与所述衬底相连接，所述第一介质膜与所述衬底共同围成一个隔热腔体；加热元件，位于所述第一介质膜表面；以及至少两个感测元件，位于所述第一介质膜上，且设置于所述加热元件的两侧，所述感测元件包括至少一组单晶硅-金属热偶对组，所述单晶硅-金属热偶对组包括若干个单晶硅-金属热偶对。通过上述方案，本发明通过巧妙的结构设计和创新的单芯片单面制作技术，在普通(111)单晶硅片上加工出赛贝克系数最高的P型单晶硅-金热偶对；本发明的热电堆式气体流量传感器将热偶对以及加热元件通过位于其正下方的隔热腔体与衬底隔离，最大程度降低了加热电阻的热耗散，大大提高了传感器的检测灵敏度；本发明的整个流量传感器都是从单晶硅片的同一表面进行加工制作，因此芯片尺寸小，成本低，适于大批量生产。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (19)

1.一种热电堆式气体流量传感器，其特征在于，包括：

衬底，具有一凹槽，所述凹槽开设于所述衬底的上表面；

第一介质膜，覆盖于所述凹槽上方，且与所述衬底相连接，所述第一介质膜与所述衬底共同围成一个隔热腔体；

加热元件，位于所述第一介质膜表面；以及

至少两个感测元件，位于所述第一介质膜上，且设置于所述加热元件的两侧，所述感测元件包括至少一组单晶硅-金属热偶对组，所述单晶硅-金属热偶对组包括若干个单晶硅-金属热偶对。

2.根据权利要求1所述的热电堆式气体流量传感器，其特征在于，所述第一介质膜包括若干个贯穿其上下表面的槽型结构，所述槽型结构与所述单晶硅-金属热偶对组平行设置且交替间隔排布。

3.根据权利要求1所述的热电堆式气体流量传感器，其特征在于，所述单晶硅-金属热偶对包括单晶硅热偶臂及金属热偶臂，所述单晶硅热偶臂位于所述第一介质膜靠近所述凹槽一侧的表面，所述金属热偶臂包括垂直部及水平部，所述垂直部贯穿所述第一介质膜与所述单晶硅热偶臂相连接，所述水平部与所述垂直部相连接且位于所述第一介质膜远离所述凹槽一侧的表面。

4.根据权利要求3所述的热电堆式气体流量传感器，其特征在于，所述加热元件位于所述第一介质膜靠近所述凹槽一侧的表面。

5.根据权利要求1所述的热电堆式气体流量传感器，其特征在于，所述衬底为(111)单晶硅。

6.根据权利要求1所述的热电堆式气体流量传感器，其特征在于，所述第一介质膜包括自下而上依次叠置的TEOS钝化层和氮化硅，所述第一介质膜与所述衬底之间还包括氧化层。

7.根据权利要求1所述的热电堆式气体流量传感器，其特征在于，所述加热元件沿<110>晶向排布，所述单晶硅-金属热偶对沿<211>晶向排布。

8.根据权利要求1所述的热电堆式气体流量传感器，其特征在于，还包括第二介质膜，所述第二介质膜覆盖于所述单晶硅-金属热偶对组及其周围的所述第一介质膜的上表面，用于保护所述单晶硅-金属热偶对。

9.根据权利要求1所述的热电堆式气体流量传感器，其特征在于，还包括若干个引线焊盘，位于所述衬底上，且设置于所述加热元件及每个所述感测元件的两端。

10.根据权利要求1～9中任一项所述的热电堆式气体流量传感器，其特征在于，还包括环境电阻元件，设置于所述衬底上。

11.根据权利要求10所述的热电堆式气体流量传感器，其特征在于，所述环境电阻元件、所述加热元件以及所述单晶硅-金属热偶对中的单晶硅热偶臂均为硼掺杂的单晶硅。

12.一种热电堆式气体流量传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)提供一衬底，并于所述衬底上定义出加热元件区以及至少两个感测元件区，所述感测元件区位于所述加热元件区两侧，且包括至少一个单晶硅-金属热偶对组区，所述单晶硅-金属热偶对组区包括若干个单晶硅-金属热偶对区；

2)刻蚀所述衬底以形成第一沟槽，用于定义出加热元件以及单晶硅-金属热偶对中的单晶硅热偶臂所在的位置及厚度；

3)于所述第一沟槽侧壁形成侧壁保护层，并于形成有所述侧壁保护层的所述第一沟槽内沉积牺牲层；

4)于步骤3)所得到的结构表面沉积第一介质膜材料层，并刻蚀所述第一介质膜材料层至暴露出所述加热元件对应的衬底区域以形成加热元件连接孔，且暴露出所述单晶硅-金属热偶对中的单晶硅热偶臂对应的衬底区域以形成单晶硅热偶臂连接孔；

5)于步骤4)所得到的结构的表面沉积金属层并对其图形化，以形成所述单晶硅-金属热偶对中的金属热偶臂，所述金属热偶臂包括垂直部及水平部，所述垂直部贯穿所述第一介质膜材料层，所述水平部与所述垂直部相连接且位于所述第一介质膜材料层表面；

6)刻蚀步骤5)得到的结构以形成第二沟槽，所述第二沟槽位于相邻所述单晶硅-金属热偶对组区之间和/或所述单晶硅-金属热偶对组区与所述衬底之间；

7)以所述第二沟槽为窗口腐蚀部分所述衬底形成隔热腔体，以释放所述第一介质膜和所述单晶硅热偶臂，其中，所述第一介质膜与所述衬底相连接，并与所述衬底共同围成所述隔热腔体，所述单晶硅热偶臂与所述金属热偶臂构成所述单晶硅-金属热偶对，并形成感测元件。

13.根据权利要求12所述的热电堆式气体流量传感器的制备方法，其特征在于，步骤1)与步骤2)之间，还包括对所述加热元件区以及所述感测元件区进行硼掺杂的步骤。

14.根据权利要求13所述的热电堆式气体流量传感器的制备方法，其特征在于，进行所述硼掺杂工艺后，还包括对硼掺杂后的结构进行退火的步骤。

15.根据权利要求12所述的热电堆式气体流量传感器的制备方法，其特征在于，步骤3)中，于所述第一沟槽的侧壁形成侧壁保护层的具体步骤为：

3-1)于步骤2)得到的结构表面沉积侧壁保护材料层，所述侧壁材料保护层包括自下而上依次沉积的TEOS层和氮化硅层；

3-2)去除所述第一沟槽底部及其周围的所述衬底上的所述侧壁保护材料层，以形成位于所述第一沟槽侧壁的侧壁保护层。

16.根据权利要求12所述的热电堆式气体流量传感器的制备方法，其特征在于，步骤5)与步骤6)之间，还包括于步骤5)所得到的结构表面沉积第二介质膜材料层的步骤，所述第二介质膜材料层用于保护所述感测元件。

17.根据权利要求12所述的热电堆式气体流量传感器的制备方法，其特征在于，步骤6)中，形成所述第二沟槽的具体步骤包括：

6-1)刻蚀所述第二沟槽所在区域的所述第一介质膜材料层；

6-2)沿所述第二沟槽所在区域继续刻蚀预定深度，以形成所述第二沟槽。

18.根据权利要求12所述的热电堆式气体流量传感器的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述衬底为(111)单晶硅，步骤7)中所采用的腐蚀溶液为四甲基氢氧化氨溶液。

19.根据权利要求12～18中任一项所述的热电堆式气体流量传感器的制备方法，其特征在于，步骤7)中，释放的所述第一介质膜包括若干个槽型结构，其中，所述槽型结构由所述第二沟槽形成，所述槽型结构与所述单晶硅-金属热偶对组平行设置且交替间隔排布。