热式流量传感器结构的制作方法

1.本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种热式流量传感器结构。


背景技术：

2.流量测量在工业控制、生物医疗、智能家居、汽车、环境监测等领域有着越来越广泛的应用。mems热式流量传感器因灵敏度高、量程比宽、响应时间快、质量流量测量、功耗低等独特优势越来越受关注。mems热式质量流量传感器一般有两种典型的结构，一种是悬空膜结构，隔热腔体是从衬底背面刻蚀形成腔体，敏感单元在隔热腔体上形成热膜式结构。一种是悬臂桥结构，隔热腔体从正面刻蚀形成腔体，敏感单元在隔热腔体上形成悬臂桥结构。上述两种结构的关键是在保证传感器灵敏度及精度的前提下如何提高薄膜的机械可靠性及薄膜构成层间的粘附性能，避免薄膜在通电之后由于热膨胀导致的开裂。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种热式流量传感器结构，在本发明的结构中，薄膜中的第一介质层具有有效压应力，第二介质层具有第一有效拉应力，并且第一有效拉应力的绝对值大于有效压应力的绝对值，在一定程度上避免薄膜与衬底之间的剥离，进而提高热式流量传感器的机械性能，具体方案如下：
4.一种热式流量传感器结构，包括：
5.衬底(1)，所述衬底(1)具有相对的第一表面和第二表面；
6.薄膜，所述薄膜设置在所述衬底(1)的所述第一表面上；
7.其中，所述薄膜包括：
8.第一介质层(2)，所述第一介质层(2)设置在所述衬底(1)的所述第一表面上，所述第一介质层(2)具有有效压应力；
9.第二介质层(3)，所述第二介质层(3)设置在所述第一介质层(2)远离所述衬底(1)的一侧表面上，所述第二介质层(3)具有第一有效拉应力；
10.第三介质层(4)，所述第三介质层(4)设置在所述第二介质层(3)远离所述第一介质层(2)的一侧表面上；
11.热敏电阻(5)，所述热敏电阻(5)设置在所述第三介质层(4)远离所述第二介质层(3)的一侧表面上；
12.第四介质层(6)，所述第四介质层(6)设置在所述第三介质层(4)远离所述第二介质层(3)的一侧上并且包覆所述热敏电阻(5)；
13.其中，所述第二介质层(3)的所述第一有效拉应力的绝对值大于所述第一介质层(2)的有效压应力的绝对值。
14.进一步地，所述第三介质层具有第二有效拉应力，所述第四介质层具有第三有效拉应力；
15.并且，所述有效压应力、所述第一有效拉应力、所述第二有效拉应力、所述第三有
效拉应力的值依次增大。
16.进一步地，所述薄膜还包括覆盖在所述第四介质层(6)上的氟碳涂层(7)，所述氟碳涂层(7)不具有拉应力。
17.进一步地，所述薄膜的总厚度的范围是2.5微米～3.5微米，总的有效应力在150mpa以内。
18.进一步地，所述第三介质层(4)和所述第四介质层(6)的材质、厚度以及制备工艺至少有一项不同。
19.进一步地，所述第一介质层(2)为氧化硅层，所述第二介质层(3)为氮化硅层，并且所述第一介质层(2)和所述第二介质层(3)的厚度不同。
20.进一步地，所述传感器结构还包括导电连接件(8)，所述导电连接件(8)贯穿所述氟碳涂层(7)及所述第四介质层(6)，并与所述热敏电阻(5)电连接。
21.进一步地，所述衬底(1)上设置有热隔离腔(10)，所述热隔离腔(10)从所述第二表面向所述第一表面延伸以贯穿所述衬底(1)并露出所述第一介质层(2)。
22.进一步地，所述热敏电阻(5)为金属热敏电阻(4)或半导体热敏电阻(5)。
23.进一步地，所述衬底(1)是硅衬底(1)，并且所述衬底(1)不具有拉应力。
24.在本发明中，由于第二介质层的第一有效拉应力可以将第一介质层中的有效压应力消除，第一有效拉应力可以将薄膜拉平或拉伸状态，进而提高热式流量传感器的机械性能，并且进一步地，第三介质层具有第二有效拉应力，第四介质层具有第三有效拉应力，并且，有效压应力、第一有效拉应力、第二有效拉应力、第三有效拉应力的值依次增大，形成一定的应力梯度，并且该应力梯度较小，在热敏电阻受热之后，不同介质层之间具有一定的相互作用力，从而尽量阻止热敏电阻与介质层之间的剥离。提高热式流量传感器的机械性能。
附图说明
25.下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其它有益效果显而易见。
26.图1为本发明中的热式流量传感器结构的示意图；
27.图2a是本发明中薄膜形成压应力的示意图；
28.图2b是本发明中薄膜形成拉应力的示意图；
29.图3为本发明中的热式流量传感器在微热源两端施加不同电压，且同一电压连续施压十次，得到的电阻随电压变化的曲线；
30.图4为本发明中的背面刻蚀形成的悬空膜结构顶视图。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.本发明提供了一种热式流量传感器结构，该热式流量传感器结构包括：衬底，衬底具有相对的第一表面和第二表面；薄膜，薄膜设置在衬底的第一表面上，其中，薄膜包括第
一介质层，第一介质层设置在衬底的第一表面上，第一介质层具有有效压应力；第二介质层，第二介质层设置在第一介质层远离衬底的一侧表面上，第二介质层具有第一有效拉应力；第三介质层，第三介质层设置在第二介质层远离第一介质层的一侧表面上；热敏电阻，热敏电阻设置在第三介质层远离第二介质层的一侧表面上；第四介质层，第四介质层设置在第三介质层远离第二介质层的一侧上并且包覆热敏电阻；其中，第二介质层的第一有效拉应力的绝对值大于第一介质层的有效压应力的绝对值，由此，在本发明中的热式流量传感器结构中，热敏电阻层下方的第一介质层具有有效压应力，第二介质层具有第一有效拉应力，并且第一有效拉应力的绝对值大于有效压应力的绝对值，形成具有应力梯度的薄膜结构层，从而，在热式流量传感器在施加电压之后，热敏电阻在电压作用下产生热量，并在受热膨胀之后，由于第二介质层的第一有效拉应力可以将第一介质层中的有效压应力消除，第一有效拉应力可以将薄膜拉平或拉伸状态，不同介质层之间具有一定的相互作用力，从而尽量阻止热敏电阻与介质层之间的剥离，进而提高热式流量传感器的机械性能。
33.下面将结合具体实施例对本发明中的热式流量传感器结构进行详细阐述。
34.如图1所示，一种热式流量传感器结构，该热式流量传感器结构包括：
35.衬底1，衬底1具有相对的第一表面和第二表面；
36.薄膜，薄膜设置在衬底1的第一表面上；
37.其中，薄膜包括：
38.第一介质层2，第一介质层2设置在衬底1的第一表面上，第一介质层2具有有效压应力；
39.第二介质层3，第二介质层3设置在第一介质层2远离衬底1的一侧表面上，第二介质层3具有第一有效拉应力；
40.第三介质层4，第三介质层4设置在第二介质层3远离第一介质层2的一侧表面上；
41.热敏电阻5，热敏电阻5设置在第三介质层4远离第二介质层3的一侧表面上；
42.第四介质层6，第四介质层6设置在第三介质层4远离第二介质层3的一侧上并且包覆热敏电阻5；
43.其中，第二介质层3的第一有效拉应力的绝对值大于第一介质层2的有效压应力的绝对值。
44.在本实施例中，在制备的过程中通过调节工艺参数使得制备完成并冷却后形成的第一介质层2，其内部具有一定的压应力，同样的，在制备的过程中通过调节工艺参数使得制备完成并冷却后形成的第二介质层3，其内部具有一定的拉应力，如图2a所示，当在基底101上制备形成薄膜102，薄膜102存在压应力的情况是，薄膜102相对于基底101，中间凸起且边缘下凹，如图2b所示，当基底101上制备形成薄膜102，薄膜102存在拉应力的情况是，薄膜102相对于基底101，中间下凹且边缘凸起。
45.在本发明中的热式流量传感器结构中，热敏电阻层下方的第一介质层具有有效压应力，第二介质层具有第一有效拉应力，并且第一有效拉应力的绝对值大于有效压应力的绝对值，形成具有一定应力差的薄膜结构层，从而，在热式流量传感器在施加电压之后，热敏电阻在电压作用下产生热量，并在受热膨胀之后，由于第二介质层的第一有效拉应力可以将第一介质层中的有效压应力消除，第一有效拉应力可以将薄膜拉平或拉伸状态，不同介质层之间具有一定的相互作用力，从而尽量阻止热敏电阻与介质层之间的剥离，进而提
高热式流量传感器的机械性能。
46.进一步地，第三介质层4具有第二有效拉应力，第四介质层6具有第三有效拉应力；
47.并且，有效压应力、第一有效拉应力、第二有效拉应力、第三有效拉应力的值依次增大，且相邻的介质层之间。
48.需要说明的是，mems传感器结构中往往需要多层薄膜堆叠，但在多层薄膜堆叠结构中一般存在残余应力。如果薄膜层间及薄膜总应力控制不好，器件在高温或使用过程中产生的应力过大而导致薄膜破裂，从而影响器件的性能。残余应力基本上来源于两种不同效应的共同效果，第一种是本征应力，来自生长机制的单个薄膜层中的本征微结构应力，第二种是热应力，由于具有不同热膨胀系数的相邻层之间的热不匹配而产生，本征应力主要取决于反应气体的流速和组成比、沉积温度以及基板表面的条件，并且可以将薄膜从拉应力状态过渡到压应力状态。因此，通过适当设置上述工艺参数，控制化学计量比和折射率，以及可以获得几乎无应力的薄膜。同时，层间薄膜热应力可通过热处理的方式改善。因此，多层堆叠薄膜结构的薄膜残余应力控制可通过适当控制薄膜的本征应力和/或热应力而实现。
49.其中本征应力根据如下式(1)：
[0050][0051]
其中e、ν、ds分别为基底杨氏模量，泊松比和厚度。σ
1i
为式(1)的第i层薄膜的热应力，di为第i层薄膜堆叠结构的厚度，r0为没有堆叠结构的衬底曲率半径，r
t
是有多层薄膜堆叠结构后的衬底曲率半径，式(1)仅在ds＞＞d
t
成立。
[0052]
对于热应力可参考如下方程(2)
[0053][0054]
式(2)也可表达为：
[0055][0056][0057]
其中σ
2i
为式(2)的第i层薄膜的热应力，i为1
……
n，αs为衬底的热膨胀系数，αi为第i层薄膜的热膨胀系数，1/r
t
为多层薄膜叠堆结构总的曲率。同样，式(3)和(4)仅在ds＞＞d
t
条件下成立。
[0058]
基于叠加原理，多层薄膜堆叠结构的总应力如式(5)
[0059][0060]
其中s
t
为n层薄膜叠堆结构的总应力，si为i层薄膜的应力；d
t
为n层薄膜叠堆结构的总厚度，di为i层薄膜的厚度。
[0061]
从式(1)可知，调整本征应力可通过调整叠堆结构中单层薄膜沉积工艺参数包括直接导致薄膜应力的原子组成和键类型。
[0062]
式(1)至(5)可知，通过调整单层薄膜厚度也可以调整膜层总应力。
[0063]
对于热应力而言，通过式(3)可以看出，除了膜层厚度，单层的热膨胀系数直接影响热应力大小。热敏电阻作为中间薄膜层，其热膨胀系数最大，为了提高热敏电阻薄膜层与位于其上的第四介质层6，位于其下的第三介质层4的粘附性能，尽可能降低层间的应力差异，层间的应力以较低的应力梯度分布多层薄膜叠层结构可靠性更好。
[0064]
在本发明中，由于第二介质层的第一有效拉应力可以将第一介质层中的有效压应力消除，在一定程度上避免衬底与薄膜之间的剥离，进而提高热式流量传感器的机械性能，并且进一步地，第三介质层4具有第二有效拉应力，第四介质层6具有第三有效拉应力，并且，有效压应力、第一有效拉应力、第二有效拉应力、第三有效拉应力的值依次增大，形成一定的应力梯度，并且该应力梯度较小，由于第二介质层的第一有效拉应力可以将第一介质层中的有效压应力消除，第一有效拉应力可以将薄膜拉平或拉伸状态，不同介质层之间具有一定的相互作用力，从而尽量阻止热敏电阻与介质层之间的剥离，进而提高热式流量传感器的机械性能。
[0065]
进一步地，传感器结构还包括覆盖在第四介质层6上的氟碳涂层7，氟碳涂层7不具有拉应力。
[0066]
在本实施例中，可以采用常温化学气相沉积方法，沉积一层地表面能的氟碳薄膜7，厚度1um左右，氟碳涂层7由于是室温沉积，可实现无应力状态。因氟碳薄膜表面能低，抗腐蚀性好且具有生物兼容特性，能扩大传感器的应用领域，包括气体，液体和耐腐蚀性气体测量。
[0067]
进一步地，薄膜的总厚度的范围是2.5微米～3.5微米，总的有效拉应力在150mpa以内。
[0068]
在本实施例中，通过调节制备过程中的工艺参数可控制第一介质层2，第二介质层3，第三介质层4，热敏电阻5，第四介质层6以及氟碳涂层7的总拉应力控制在150mpa以内。
[0069]
进一步地，第一介质层2包括位于第一表面上的第一子介质层2-1以及位于第一子介质层2-1上的第二子介质层2-2；
[0070]
进一步地，第三介质层4和第四介质层6的材质、厚度以及制备工艺至少有一项不同。
[0071]
不同的厚度、材质以及制备工艺均会使得薄膜具有不同的拉应力，因此为了满足应力梯度，第三介质层4和第四介质层6的材质、厚度以及制备工艺至少有一项不同，示例性地，第三介质层4的材质为氧化硅，并且采用化学气相沉积法制备，第四介质层6的材质为氧化硅或氮化硅，并且采用化学气相沉积法制备，第三介质层4和第四介质层6的厚度不同。
[0072]
进一步地，第一介质层2为氧化硅层，第二介质层3为氮化硅层，并且第一介质层2和第二介质层3的厚度不同。
[0073]
更进一步地，第一介质层2和第二介质层3的制备工艺也不相同，第一介质层2采用热氧化制备，第二介质层3采用化学气相沉积法制备。
[0074]
进一步地，传感器结构还包括导电连接件8，导电连接件8贯穿氟碳涂层6及第四介质层6，并与热敏电阻5电连接。
[0075]
在本实施例中，导电连接件8在制备的过程中，可以通过去氟碳涂层7及第四介质层6，暴露出热敏电阻5的焊盘9。在该步骤中，可在热敏电阻5的焊盘9的对应位置依次刻蚀
氟碳涂层7及第四介质层6，从而暴露出所述焊盘9。焊盘9作为热敏电阻5与外界的电连接处。在焊盘9上形成导电连接件8，导电连接件8用于将焊盘9与外界电连接，其包括但不限于金属导电连接件，例如，al和au。在导电连接件8制备过程中，可先在氟碳涂层7及焊盘9上沉积金属层，在采用光刻及刻蚀的方法图案化金属层，从而形成与焊盘9电连接的导电连接件8。在本发明，也可采用其他方法形成所述导电连接件，例如蒸镀。
[0076]
进一步地，衬底1上设置有热隔离腔10，热隔离腔10从第二表面向第一表面延伸以贯穿衬底1并露出第一介质层2。
[0077]
在本实施例中，衬底1的第二表面开窗，形成热隔离腔10，以提高热式流量传感器的热交换效率。采用刻蚀的自衬底1的第二表面刻蚀衬底1，并以第一介质层2作为刻蚀的停止层，形成贯穿衬底1的热隔离腔10，热隔离腔10暴露出第一介质层。进一步，刻蚀所述半导体衬底方法可为湿法刻蚀或者干法刻蚀，刻蚀所述半导体衬底方法可为湿法刻蚀或者干法刻蚀，其中，采用湿法刻蚀获得的结构为梯形，由于湿法刻蚀的各向同性的特点，其刻蚀后获得的热隔离腔10的图形不规则，尺寸较大，但是湿法刻蚀速度快，效率高；采用湿法刻蚀获得的结构为矩形，由于干法刻蚀的各向异性的特点，其能够形成规则的符合要求的刻蚀图形，且图形尺寸较小，能减小器件有效尺寸，这种结构抗污染性能好，且同时可用于液体和气体流量测量。
[0078]
进一步地，热敏电阻5为金属热敏电阻或半导体热敏电阻。
[0079]
在本实施例中，热敏电阻5包括多个条形电阻，其可作为加热电阻或测温电阻。溅射或蒸发形成金属薄膜热敏电阻沉积及图形化。薄膜热敏电阻条图形化，对于薄膜热敏电阻条，如果热敏电阻为金属薄膜，可采用剥离工艺或离子束工艺形成图形，热敏电阻薄膜厚度较薄，为整个薄膜结构的十分之一厚度，其应力可忽略不计。
[0080]
进一步地，热敏电阻5为正温度系数金属电阻。
[0081]
进一步地，正温度系数金属电阻为多层结构，多层结构包括ti层与pt层形成的复合层、cr层与pt层形成的复合层、ti层与w层形成的复合层、ti层与cr层形成的复合层、w层与ti层及pt层形成的复合层、cr层与au层形成的复合层、ni层与pt层形成的复合层、以及ti层与au层及cr层形成的复合层中的至少一种。
[0082]
进一步地，热敏电阻为正温度系数半导体热敏电阻或负温度系数半导体热敏电阻。
[0083]
进一步地，正温度系数半导体热敏电阻为多晶硅薄膜，负温度系数半导体热敏电阻为锗薄膜。
[0084]
进一步地，衬底1是硅衬底，并且衬底不具有拉应力。
[0085]
在本发明中，衬底1是采用普通硅衬底而不用高成本基地以及特殊基底，由此形成的结构为：衬底1不具有拉应力，而第一介质层2，第二介质层3，第三介质层4，第四介质层6形成了应力梯度层，氟碳涂层7不具有拉应力，本发明中的传感器可靠性较好，在微热源两端施加不同电压，且同一电压连续施压十次，得到的曲线如图3，由图3可看出对于初始电阻200ω左右的微热源，经过不同的电压测试，其正常耐压到达5v，极限耐压高至10v，而微热源正常工作电压一般不超过2v。
[0086]
进一步地，如图4所示，热式质量流量传感器一般包括在衬底硅上的环境温度传感器4-1、微热源4-2、与微热源对称位置分布的上游温度传感器3-3和下游温度传感器4-4，环
境温度传感器4-1，上游温度传感器4-3，下游温度传感器4-4均可以采用上述热式流量传感器结构。
[0087]
综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。