[发明专利]一种热电堆式气体流量传感器及其制备方法

说明书

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 sensor with 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,Lazic Z,et al.Multipurpose thermal sensor based on Seebeck effect[C],Proc.23rd International 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。