適于表面貼裝封裝的單硅片微流量傳感器及其制備方法技術

本發明專利技術提供一種適于表面貼裝封裝的單硅片微流量傳感器及其制備方法，所述單硅片微流量傳感器包括一單晶硅基片、二壓力傳感器和具有出/入通口的微流體溝道，本發明專利技術采用單硅片單面體硅微機械加工方法，在單晶硅基片內部制作所述微流體溝道、取壓通道和壓力傳感器的參考壓力腔體，并將所述二壓力傳感器和微流體溝道出/入通口巧妙地集成在同一單晶硅基片的同一面上，結構簡單。本發明專利技術既避免了不同鍵合材料間熱匹配失調所導致的殘余應力和壓力傳感器的壓力敏感薄膜厚度不均的問題，又適于利用表面貼裝封裝技術實現單硅片微流量傳感器裸片與微流體系統的集成，具有制備成本低、封裝方便、靈敏度高、穩定性好等特點，適合大批量生產。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種微流量傳感器及其制備方法，特別是涉及一種，可用于氣體或液體的微流量檢測，屬于硅微機械傳感器

技術介紹
20世紀80年代開始，隨著微電子技術和MEMS加工技術的快速發展為硅基流量傳感器的發展提供了有利條件。自從Vanputten和Middelhoek在1974年首次利用標準娃工藝制備出硅微流量傳感器之后，硅流量傳感器制備技術已取得了很大的進步，其應用領域也逐漸滲透到人類工作和生活中的各個領域，如:水質檢測、大氣監測、生命科學、航空航天、生物以及制藥等領域。鑒于傳統的流量傳感器存在結構尺寸偏大、封裝難且成本高等不足，不宜于微流體系統的小型化和集成化，迫切需要微流量傳感器的出現和實用化。有人預計進入21世紀，微流量傳感器的市場份額將占微機電系統市場份額的19%，將達到140億美元。強大的市場需求和迅速的技術進步將使微流量傳感器得到長足的發展。微流量傳感器根據其應用的原理不同，其結構形式上也有所區別。根據其檢測原理主要分為:基于流體傳熱學原理的熱線式(或傳熱式)微流量傳感器和差壓式微流量傳感器。基于流體傳熱原理的微流量傳感器首先需要解決熱損耗這一關鍵性問題，因此，微流體溝道多采用自由懸空結構，避免與硅襯底(或其他襯底材料)過多接觸，達到降低熱耗散，提高檢測靈敏度的目的。此種結構形式大大增加了工藝復雜性和加工難度。目前該結構形式的微流體傳感器主要以采用表面微機械加工為主，微流體溝道主要由沉積的氮化硅鈍化層構成，然后通過刻蝕工藝實現微流體溝道自由懸空結構。由于受薄膜沉積工藝限制，這種結構方式的微流體溝道壁厚比較薄，當溝道中通以液體溶液時(特別是粘度較大的液體溶液)由于毛細力作用容易使溝道變形，進而影響檢測精度，因此，不宜于檢測粘稠度較大的液體流速。同時，由于這種結構的微流體溝道比較脆弱容易損壞，因此需要特殊的預封裝結構來提供對微流體溝道保護，這將進一步增加其加工成本。差壓式微流量傳感器主要利用微流體溝道上下游之間的壓力差轉換成電信號實現對微流體流速(或流量)的檢測，差壓檢測方式主要分為電容檢測和電阻檢測兩種，其中電容檢測方式精度較高，但是后續電路處理比較麻煩，相比之下，由于電阻檢測方式具有后續電路處理簡單，精度高等特點得到廣泛應用。該類型的微流量傳感器結構形式多以體硅微機械加工為主，微流體溝道主要通過不同材料之間的鍵合方式來實現。對于這種米用壓阻檢測方式的微流量傳感器而言，工藝上需要采用兩步背面KOH刻蝕減薄硅片和高溫鍵合制備壓力傳感器的參考壓力腔體和微流體溝道，這種制備方式不僅加工后的芯片尺寸偏大，增加了生產成本，而且加工后壓力敏感薄膜厚度不均勻，影響傳感器輸出特性，此外，鍵合過程中引入的殘余應力以及不同鍵合材料之間的熱不匹配所導致的殘余應力都會對傳感器的零點溫漂產生較大的影響，同時，由于微流體溝道的出/入通孔必須位于壓力傳感器背面，因此，不易于微流體傳感器裸片以表面貼裝封裝方式與微流體系統集成，增加了后續封裝成本。
技術實現思路
鑒于以上所述現有技術的缺點，本專利技術的目的在于提供一種，用于解決現有制備微流量傳感器的鍵合工藝引入殘余應力和壓力敏感薄膜厚度不均帶來的不利影響，以及現有技術中的微流量傳感器裸片不易于以表面貼裝封裝方式與微流體系統集成，而使成本增加的問題。為實現上述目的及其他相關目的，本專利技術提供一種，其中，所述適于表面貼裝封裝的單硅片微流量傳感器至少包括:一單晶硅基片；一對具有相同結構的壓力傳感器，對稱形成在所述單晶硅基片的上表面，各該壓力傳感器分別具有形成在所述單晶硅基片上表面的壓力敏感薄膜、位于所述壓力敏感薄膜上的四個壓敏電阻、以及位于所述壓力敏感薄膜下方形成在所述單晶硅基片的上、下表面之間的參考壓力腔體；二取壓通道，形成在所述單晶硅基片的上、下表面之間，并分別連通各該參考壓力腔體；一微流體溝道，形成在所述單晶硅基片的上、下表面之間，并通過各該取壓通道與參考壓力腔體相連通，且所述微流體溝道兩端各具有一朝向上表面開口的以供流體出入的微流體溝道出/入通口。可選地，各該壓力傳感器還包括多個藉由引線連接對應各壓敏電阻的焊盤。可選地，所述單晶娃基片為(111)晶面的單晶娃基片。可選地，各該壓力傳感器的壓力敏感薄膜為六邊形單晶硅薄膜，各該壓力傳感器的參考壓力腔體為順應該壓力敏感薄膜形狀的六邊形腔體。可選地，所述壓力敏感薄膜上的壓敏電阻為四個注入式單晶硅壓敏電阻，且分別兩兩相對以所述壓力敏感薄膜的中心呈中心對稱分布，且分別位于所述壓力敏感薄膜的兩條相互垂直的對稱軸上，所述的四個壓敏電阻連接成惠斯頓全橋檢測電路，其中，所述的兩條相互垂直的對稱軸分別位于〈110〉晶向及〈211〉晶向上。可選地，所述二壓力傳感器和微流體溝道采用旁支聯方式組合在一起，所述二壓力傳感器均位于所述微流體溝道同一側的上下游位置，且所述微流體溝道位于〈211〉晶向上不間斷地呈一字型排布，其中，所述取壓通道的延伸向位于〈110〉晶向上，所述微流體溝道的延伸向位于〈211〉晶向上，所述二壓力傳感器均以位于〈110〉晶向上的所述取壓通道的延伸向為軸線呈對稱關系。此外，本專利技術還提供一種適于表面貼裝封裝的單硅片微流量傳感器的制備方法，該方法至少包括以下步驟:I)提供一單晶硅基片，采用硅深度反應離子刻蝕工藝在所述單晶硅基片上刻蝕出所需微流體溝道的兩側壁限定槽，然后依次沉積低應力氮化硅和低應力多晶硅以填充所述限定槽，再對經過上述處理的所述單晶硅基片進行熱氧化，使所述低應力氮化硅、經熱氧化生成的二氧化硅和未充分氧化的低應力多晶硅充滿整個所述限定槽，而后去除位于所述單晶娃基片表面的所述低應力氮化娃、二氧化娃和未充分氧化的低應力多晶娃;2)對所述單晶硅基片進行熱氧化生成一層二氧化硅鈍化層，去除所需壓敏電阻區域的所述二氧化硅鈍化層，采用離子注入方法制備壓敏電阻并退火，然后在已加工壓敏電阻且部分附著二氧化硅鈍化層的單晶硅表面上沉積鈍化材料制備表面鈍化保護層；3)采用硅深度反應離子刻蝕工藝在所述單晶硅基片上間隔地制備多個微型釋放窗口以形成系列微型釋放窗口，所述系列微型釋放窗口勾勒出所需壓力敏感薄膜、所需微流體溝道以及所需取壓通道，所述系列微型釋放窗口的深度與所需壓力敏感薄膜的厚度一致，然后在所述系列微型釋放窗口內沉積鈍化材料制備側壁的鈍化保護層；4)采用反應離子刻蝕工藝剝離所述系列微型釋放窗口底部的鈍化材料，然后采用硅深度反應離子刻蝕工藝對所述系列微型釋放窗口繼續向下刻蝕，使所述系列微型釋放窗口刻蝕至所需參考壓力腔體、所需微流體溝道以及所需取壓通道的深度；5)通過所述系列微型釋放窗口采用濕法腐蝕工藝在所述單晶硅基片內部進行選擇性腐蝕，以制備出在所述單晶硅基片內部的參考壓力腔體、微流體溝道以及取壓通道，釋放壓力敏感薄膜，并通過在所述系列微型釋放窗口內沉積低應力多晶硅縫合所述系列微型釋放窗口，完成所述參考壓力腔體、微流體溝道以及取壓通道的密封，然后采用硅深度反應離子刻蝕工藝去除多余的低應力多晶硅；6)制備所述二壓力傳感器的歐姆接觸區和引線孔，形成引線和焊盤；7)采用硅深度反應離子刻蝕工藝制備微流體溝道出/入通口。可選地，所述步驟I)中，所述單晶硅基片為N型單拋或雙拋(111)晶面的單晶硅基片，主切邊清楚，電阻率為I Ω.cm 10Ω.cm本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種適于表面貼裝封裝的單硅片微流量傳感器，其特征在于，至少包括：一單晶硅基片；一對具有相同結構的壓力傳感器，對稱形成在所述單晶硅基片的上表面，各該壓力傳感器分別具有形成在所述單晶硅基片上表面的壓力敏感薄膜、位于所述壓力敏感薄膜上的四個壓敏電阻、以及位于所述壓力敏感薄膜下方形成在所述單晶硅基片的上、下表面之間的參考壓力腔體；二取壓通道，形成在所述單晶硅基片的上、下表面之間，并分別連通各該參考壓力腔體；一微流體溝道，形成在所述單晶硅基片的上、下表面之間，并通過各該取壓通道與參考壓力腔體相連通，且所述微流體溝道兩端各具有一朝向上表面開口的以供流體出入的微流體溝道出/入通口。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：王家疇，李昕欣，劉潔丹，
申請(專利權)人：中國科學院上海微系統與信息技術研究所，
類型：發明
國別省市：