一种基于MEMS技术的热扩散率传感器芯片及其制备方法

摘要

本发明提供了一种基于MEMS技术的热扩散率传感器芯片及其制备方法，传感器芯片包括沉积在SOI晶片上表面的二氧化硅隔离层、淀积在二氧化硅隔离层上表面并经刻蚀后形成的加热器以及温度传感器、以及淀积在二氧化硅隔离层上表面、加热器上表面以及温度传感器上表面的氮化硅保护层，其中，所述SOI晶片的下表面自下表面向上刻蚀有绝热腔，所述加热器位于二氧化硅隔离层上表面的中心位置，所述温度传感器均匀分布在以加热器为中心的径向上。本发明传感器芯片仅需几微升的样品液体即可在几十秒内完成测量流体导热系数的测量，并且可在很大温度范围内实现测量。

说明书

技术领域

本发明涉及基于MEMS(微型电子系统)技术的热扩散率传感器芯片，特别是 一种基于MEMS技术的热扩散率传感器芯片及其制备方法，用于测量流体热扩 散率。

背景技术

测量流体热扩散率的方法很多，热扩散率是流体重要的传递性质，要确定 流体的热扩散率一般可通过理论计算和实验测定两种途径。由于流体分子的堆 积结构还没有完整的理论，这些估算所假设的公式和模型比较理想化、简单化， 为复杂的实际情况不完全符合，往往产生较大的误差，并且这些方程一般只适 用于特定的物系和范围，许多流体依然需要试验测定。因此，实验测量是确定 流体热扩散率的重要途径，典型的测量方法有水平平板法、同心圆筒法、热线 法、热窄带法、热丝法等。常规的瞬态热线法、热带法测量流体热扩散率的仪 器及数据处理过程复杂，而且需要大量样品，测量时间长。从精度上讲，目前 认为较好的是热丝法，该方法不但速度快、精度高，而且能有效减少对流的影 响，但该方法的设备较复杂，而且适用范围也较窄，不能用于导电液体和粘度 大的流体热扩散率的测定，比如不能测定原油和油水混合物的热扩散率等。

随着传感器技术、电子技术、MEMS技术、光学技术、流体力学、计算机 技术、声学等科学的不断进步，有利地促进了流体热扩散率测量技术的发展， 涌现出了新的热扩散率测量方法和装置。如采用热探针测量方法，瞬态双热丝 的方法进行热扩散率的测量等，但以上技术虽然能在一定程度上提高测量精度， 但依然存在需要样品过多、时间长或设备复杂的情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于MEMS技术的热扩散率传感器 芯片及其制备方法，通过滴入流体样品覆盖在加热器和传感器上，利用外部电 流对加热器加热，然后记录下传感器的温度变化曲线并计算其时间常数，由此 得到时间常数与流体导热系数的关系曲线，以此实现热扩散率的测量。

本发明基于MEMS技术的热扩散率传感器芯片，包括沉积在SOI晶片上表 面的二氧化硅隔离层、淀积在二氧化硅隔离层上表面并经刻蚀后形成的加热器 以及温度传感器、以及淀积在二氧化硅隔离层上表面、加热器上表面以及温度 传感器上表面的氮化硅保护层，其中，所述SOI晶片的下表面自下表面向上刻 蚀有绝热腔，所述加热器位于二氧化硅隔离层上表面的中心位置，所述温度传 感器均匀分布在以加热器为中心的径向上。

所述加热器和温度传感器由多晶硅形成；所述温度传感器以加热器为中心 围成同心圆结构；所述二氧化硅隔离层上表面设置有由引线层经刻蚀后形成的 金属引线，该金属引线采用Ti/Cu双层结构；所述Ti层厚度为50～100nm。

本发明基于MEMS技术的热扩散率传感器芯片的制备方法包括以下步骤：

(1)将SOI晶片的正面在管式炉内在850～1150℃温度下进行干法热氧化， 在SOI晶片的上表面形成厚度0.1μm～0.3μm的二氧化硅隔离层；

(2)采用低压化学气相淀积技术在步骤1)得到的器件正面淀积0.2μm～ 0.3μm厚的多晶硅，通过光刻和刻蚀后形成加热器与温度传感器；

(3)在步骤2)得到的器件正面刻蚀引线孔并采用溅射工艺在硅片正面淀 积0.1μm～0.3μm厚的Ti/Cu双层结构引线层，经过光刻和刻蚀后形成内引线；

(4)用低压气相淀积技术在步骤3)得到的器件正面淀积0.2μm～0.5μm 厚的氮化硅保护层；

(5)采用湿法刻蚀技术在步骤4)得到的器件背面进行背腔腐蚀，形成热 隔离腔；

(6)采用光刻和刻蚀工艺，将芯片焊盘区域的氮化硅去除，留出焊盘，以 便于后续的信号连接；

(7)采用金丝球焊或铝丝楔焊等引线键合技术将金丝或铝丝与硅芯片焊盘 以及PCB转接板的焊盘连接起来。

本发明基于MEMS技术的热扩散率传感器芯片及其制备方法至少具有以下 优点：发明传感器芯片布局采用中央正方型加热器，温度传感器为环形并分布 在不同径向位置。测量采用瞬态测量法，将该发明传感器芯片放在温度可控的 恒温箱中，被测流体通过移液管取微升量级滴到芯片上。测量时设定一个初始 温度，使恒温箱中的温度恒定在初始温度值。当加热器以恒定的加热功率加热 时，温度传感器所测的温度随时间变化的关系不相同，因而也对应着不同的时 间常数。在恒功率加热过程中，用数据记录仪设定一定的时间步长，通过不断 记录各测量时刻温度传感器的温度测量值，从而得到温度与时间的一组数据值， 再由相关数据处理方法得到数据和时间的拟合曲线，确定其时间常数。最终通 过扩散系数与时间常数之间的函数关系求得被测样品的热扩散率α。该传感器 芯片仅需几微升的样品液体即可在几十秒内完成测量流体导热系数的测量，并 且可在很大温度范围内实现测量。

附图说明

图1为本发明基于MEMS技术的热扩散率传感器芯片的剖视图；

图2为本发明基于MEMS技术的热扩散率传感器芯片的平面图；

图3为本发明基于MEMS技术的热扩散率传感器芯片的封装结构图。

图中的标号如下表示：

  1   样本液体   2   氮化硅保护层   3   二氧化硅隔离层   4   温度传感器   8   加热器   9   二氧化硅埋层   10   顶层硅   11   体硅   12   绝热腔   13   焊盘

具体实施方式

下面结合附图，对本发明基于MEMS技术的热扩散率传感器芯片及其制备 方法做详细描述：

参照图1，本发明传感器芯片的主要结构包括SOI晶片(SOI晶片包括体硅 11、沉积在体硅11上表面的二氧化硅埋层9，以及沉积在二氧化硅埋层9上表 面的顶层硅10)、沉积在SOI晶片顶层硅上表面的二氧化硅隔离层3、淀积在二 氧化硅隔离层3上表面的加热器8和温度传感器4，以及淀积在二氧化硅隔离层 3上表面、加热器上表面以及温度传感器上表面的氮化硅保护层2，其中，所述 SOI晶片的体硅11自下表面向上凹陷设置有绝热腔12。试验时，样本液体1滴 在本发明传感器芯片上。

参照图2，为本发明传感器芯片的平面结构图，从图中可知，加热器8位于 中心位置，8个温度传感器4以加热器8为中心围成两个同心圆，金属引线分别 将所述加热器的两端以及温度传感器的两端引至焊盘13，这样，通过对中心正 方形的加热器8的加热使径向均匀分布的温度传感器产生准确迅速的温度响应。 加热器和温度传感器由多晶硅制作，因为多晶硅的高阻值以及阻值随温度产生 巨大变化。因此，通过外部电流使加热器加热从而使热量在待测液体中传递， 通过温度传感器的阻值变化可测得温度与时间的变化曲线，计算该曲线的时间 常数，由试验结果可建立起热扩散率与时间常数的对应曲线，从而实现热扩散 率的测量。

参照图3，本发明传感器芯片的工艺流程包括以下步骤：

1)、将SOI晶片的正面在管式炉内在850～1150℃温度下进行干法热氧化， 通过控制氧化时间和温度在SOI晶片的上表面形成厚度0.1μm～0.3μm的二氧 化硅隔离层3；

2)、采用低压化学气相淀积(LPCVD)技术在步骤1)得到的器件正面淀 积0.2μm～0.3μm厚的多晶硅，通过光刻和刻蚀后形成加热器8与温度传感器 4；

3)、在步骤2)得到的器件正面刻蚀引线孔并采用溅射工艺在硅片正面淀积 0.1μm～0.3μm厚的Ti/Cu双层结构引线层，经过光刻和刻蚀后形成内引线；

4)、用低压气相淀积技术在步骤3)得到的器件正面淀积0.2μm～0.5μm 厚的氮化硅保护层2；

5)、采用湿法刻蚀技术在步骤4)得到的器件背面(即SOI晶片的体硅下表 面)进行背腔腐蚀，形成热隔离腔12；

6)、采用光刻和刻蚀工艺，将芯片焊盘区域的氮化硅去除，留出焊盘，以 便于后续的信号连接；

7)、采用金丝球焊或铝丝楔焊等引线键合技术将金丝或铝丝与硅芯片焊盘 以及PCB转接板的焊盘连接起来。

传感器芯片的主要工作原理就是确认多晶硅温度传感器的阻值与温度的关 系曲线，由此得到其时间常数与热扩散率之间的关系，实现对流体热扩散率的 测量。在校准过程中，传感器置入一个能调节温度的恒温容器中，并且使用一 个热电偶确认恒温箱中的实时温度，用数据记录仪测量温度传感器的阻值，得 到阻值与温度的线性关系大致为：R＝a-bT，其中a，b为常数，R为阻值，T为 温度，由阻值与温度的曲线关系可得其准确值。

测量方法为瞬态测量法，其基本测量原理为：将该芯片放在温度可控的恒 温箱中，被测流体通过移液管取微升量级滴到芯片上。测量时设定一个初始温 度，并在整个测量过程中芯片环境温度保持不变，即使恒温箱中的温度恒定在 初始温度值。对于某些沸点比较低的被测流体，环境温度设定值应较低为宜， 以免流体大量挥发，影响测量结果。当通入电流使加热器以恒定的加热功率加 热时，热流在被测流体中沿横向和竖向同时扩散，不同的流体对应着不同的热 扩散率，热扩散率越大，沿竖向热量传递越多，则沿横向传递热流量越少，则 温度传感器所测的温度随时间变化的关系不相同，因而也对应着不同的时间常 数。在恒功率加热过程中，用数据记录仪，设定一定的时间步长，通过不断记 录各测量时刻温度传感器的测量值，从而得到温度与时间的一组数据值，再由 计算机通过相关数据处理方法得到数据和时间的拟合曲线，确定其时间常数。 最终通过热扩散率与时间常数之间的函数关系求得被测样品的热扩散率。

本发明所能达到的主要技术指标如下：

1、测量介质：流体；

2、精度：优于±0.5％FS；

3、工作温度：0℃～200℃。

本发明采用经过高能氧离子注入技术形成的均匀一致的隔离层二氧化硅， 将上层的加热器和温度传感器与硅基底隔离开，避免了因环境温度升高而造成 的漏电流导致传感器的不稳定甚至失效。金属引线采用物理气相沉积的Ti/Cu 双层结构。沉积50nm～100nm厚度的Ti既可以作为粘附层，也可以作为阻挡层， 防止高温工作时Cu-Si溶解引起的器件失效，同时能够与多晶硅接触区形成良好 的欧姆接触。为了配合上述金属引线几何形状和厚度的变化，金属引线的图形 化采用了ICP高密度等离子干法刻蚀技术，从而能够有效抑制通常湿法腐蚀时 线宽损失较大，台阶处钻蚀严重的问题，进一步增强金属引线的可靠性。

另外，本发明二氧化硅隔离层设置在加热器与SOI晶片之间将二者隔离， 这样，当加热器加热时，避免了由于热温度传递而影响SOI晶片的性能；另外， 由于SOI晶片下表面设置有绝热腔，因此，SOI晶片吸收的热量相对较小，进 一步改善了温度对SOI晶片的影响。

本发明传感器芯片布局采用中央正方型加热器，温度传感器为环形并分布 在不同径向位置。测量采用瞬态测量法，将该发明传感器芯片放在温度可控的 恒温箱中，被测流体通过移液管取微升量级滴到芯片上。测量时设定一个初始 温度，使恒温箱中的温度恒定在初始温度值。当加热器以恒定的加热功率加热 时，温度传感器所测的温度随时间变化的关系不相同，因而也对应着不同的时 间常数。在恒功率加热过程中，用数据记录仪设定一定的时间步长，通过不断 记录各测量时刻温度传感器的温度测量值，从而得到温度与时间的一组数据值， 再由相关数据处理方法得到数据和时间的拟合曲线，确定其时间常数。最终通 过扩散系数与时间常数之间的函数关系求得被测样品的热扩散率α。该传感器 芯片仅需几微升的样品液体即可在几十秒内完成测量流体导热系数的测量，并 且可在很大温度范围内实现测量。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领 域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的 变换，均为本发明的权利要求所涵盖。