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1、(10)申请公布号 CN 102520012 A (43)申请公布日 2012.06.27 CN 102520012 A *CN102520012A* (21)申请号 201110401838.8 (22)申请日 2011.12.06 G01N 25/20(2006.01) B81C 1/00(2006.01) (71)申请人 西安交通大学 地址 710049 陕西省西安市咸宁路 28 号 (72)发明人 周睿 蒋庄德 李支康 赵玉龙 王晓坡 刘志刚 (74)专利代理机构 西安通大专利代理有限责任 公司 61200 代理人 徐文权 (54) 发明名称 一种基于 MEMS 技术的热扩散率传感器芯。
2、片 及其制备方法 (57) 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。
3、实现测量。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 1/1 页 2 1. 一种基于 MEMS 技术的热扩散率传感器芯片， 其特征在于 ： 包括沉积在 SOI 晶片上表 面的二氧化硅隔离层 (3)、 淀积在二氧化硅隔离层上表面并经刻蚀后形成的加热器 (8) 以 及温度传感器 (4)、 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 (2)， 其中， 所述 SOI 晶片的下表面自下表面向上刻蚀有绝热腔 (12)， 所 述。
4、加热器 (8) 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。 2. 如权利要求 1 所述的基于 MEMS 技术的热扩散率传感器芯片， 其特征在于 ： 所述加热 器和温度传感器由多晶硅形成。 3. 如权利要求 1 所述的基于 MEMS 技术的热扩散率传感器芯片， 其特征在于 ： 所述温度 传感器以加热器为中心围成同心圆结构。 4. 如权利要求 1 所述的基于 MEMS 技术的热扩散率传感器芯片， 其特征在于 ： 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。 5.根据权利要求4所述的基于MEM。
5、S技术的热扩散率传感器芯片， 其特征在于 ： 所述Ti 层厚度为 50 100nm。 6. 一种基于 MEMS 技术的热扩散率传感器芯片的制备方法， 其特征在于 ： 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 0.1m 0.3m 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 0.2m 0.3m 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0.1m 0.3m 厚的 Ti/C。
6、u 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 0.2m 0.5m 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。 权 利 要 求 书 CN 102520012 A 2 1/4 页 3 一种基于 MEMS 技术的热扩散率传感器芯片及其制备方法 技术领域 0001。
7、 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 0002 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。
8、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。 0003 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。
9、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 0004 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。 0005 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。
10、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。 0006 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。 0007 本发明基于 MEMS 技术的热扩散率传感器芯。
11、片的制备方法包括以下步骤 ： 0008 (1)将SOI晶片的正面在管式炉内在8501150温度下进行干法热氧化， 在SOI 说 明 书 CN 102520012 A 3 2/4 页 4 晶片的上表面形成厚度 0.1m 0.3m 的二氧化硅隔离层 ； 0009 (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 0.2m 0.3m 厚的多晶硅， 通过光刻和刻蚀后形成加热器与温度传感器 ； 0010 (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 0.1m 0.3m 厚的 Ti/Cu 双层结构引线层， 经过光刻和刻蚀后形成内引线 ； 0011 (4)用低压。
12、气相淀积技术在步骤3)得到的器件正面淀积0.2m0.5m厚的氮 化硅保护层 ； 0012 (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 ； 0013 (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 ； 0014 (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。 0015 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。
13、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。 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。
14、， 并且可在很大温度范围内实现测量。 附图说明 0016 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 ； 0017 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 ； 0018 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。 0019 图中的标号如下表示 ： 0020 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 说 明 书 CN 102520012 A 4 3/4 页 5 0021 下面结合附图， 对本发明基于 。
15、MEMS 技术的热扩散率传感器芯片及其制备方法做 详细描述 ： 0022 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。
16、上。 0023 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。
17、应曲线， 从而实现热 扩散率的测量。 0024 参照图 3， 本发明传感器芯片的工艺流程包括以下步骤 ： 0025 1)、 将SOI晶片的正面在管式炉内在8501150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 0.1m 0.3m 的二氧化硅隔离层 3 ； 0026 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 0.2m 0.3m 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 ； 0027 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 0.1m 0.3m 厚的 Ti/Cu。
18、 双层结构引线层， 经过光刻和刻蚀后形成内引线 ； 0028 4)、 用低压气相淀积技术在步骤 3) 得到的器件正面淀积 0.2m 0.5m 厚的氮 化硅保护层 2 ； 0029 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 ； 0030 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 ； 0031 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。 0032 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。
19、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。 0033 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。
20、在初始温度值。对于某些沸点比较 说 明 书 CN 102520012 A 5 4/4 页 6 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。
21、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。 0034 本发明所能达到的主要技术指标如下 ： 0035 1、 测量介质 ： 流体 ； 0036 2、 精度 ： 优于 0.5 FS ； 0037 3、 工作温度 ： 0 200。 0038 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。
22、， 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。 0039 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。
23、 SOI 晶片的影响。 0040 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。 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。 0041 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。 说 明 书 CN 102520012 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102520012 A 7 2/2 页 8 图 3 说 明 书 附 图 CN 102520012 A 8 。