一种CMOSMEMS集成流量、气体/湿度传感器

一种cmos mems集成流量、气体/湿度传感器
技术领域
1.本发明涉及一种cmos mems集成流量、气体/湿度传感器，具体涉及一种cmos mems集成流量、气体/湿度传感器及其制作方法；属于传感器领域。


背景技术：

2.流量传感器在生产生活以及科学实验计量中有着至关重要的地位，例如感测环境流量，工业气体流量监控，生物医学应用中的流量感测和海洋流体动力感测。而mems技术的进步使得制造复杂的传感器成为可能，许多研究已经证明mems工艺能够成功地应用于制造各种检测流量和流向的传感器，并且它们可以低成本大量生产。现今流量传感器除了对流体参数(流速、方向等)的检测灵敏度要求高之外，还需求低功耗、低成本、长久稳定性。在各种应用中，需要流量传感器来测量液体和气体流动的速度和方向，包括流型的确定、壁面剪切应力的测量、粘度和密度测量。测量的流量可能会受到系统的速度、压力、温度或化学成分的影响。因此，流量传感装置通常基于直接检测体积、质量、速度或多参数检测。mems流量传感器属于微型设备，可实现高分辨率检测，与常规原理的传感设备相较而言，有很大的应用前景，被应用于高精尖领域，水下航行器导航和水下目标检测、生物医疗和环境监测等。
3.mems流量传感器根据原理大致可分为三类：热式流量传感器、压阻式流量传感器和压电式流量传感器。其中热式流量传感器一般由两个基本部分组成，即加热器和传感元件。传感元件检测加热器和流体之间的传热变化，进而利用传热强度来确定流体的流速。相对于其它类型的流量传感器，热式流量传感器能够实现高灵敏度和高精度的测量和低输出信号漂移。此外，该类型传感器的优点是能够在不依赖于任何机械移动的微型部件实现流速的测量，这就减少了设备的磨损，有更长的使用寿命。虽然mems技术可以采用较为灵活的工艺加工方式，且可以选择较为广泛的材料，但是较难直接和电路部分进行互连，在一定程度上限制了测试微系统的整体尺寸，并且加工工艺方式较为复杂，很难实现低成本的批量生产；随着cmos半导体技术的快速发展，成熟的cmos加工工艺在传感器领域展现出了巨大的优势，不仅进一步缩小了器件的尺寸，还使传感器低成本的批量生产变为可能，因此，cmos mems技术近年来已广泛用于制造低成本的微型流量传感器。
4.气体传感器是检测气体浓度的器件，被广泛应用于食品储藏、电子制造、工业自动化、农业种植、纺织生产、家居监控、医学实验等领域。电阻式气体传感器与电容式气体传感器是最常见的两种气体传感形式，电阻式气体传感器由以下主要部件组成:敏感膜、加热器和电极。cmos平台提供了可用的材料来制造加热器和电极，并使用额外的材料(通常是金属氧化物半导体材料)作为敏感膜。加热器会激活敏感膜材料，使其在吸附(或解吸)气体分子时电阻率发生变化，进而可以通过电阻阻值的变化来检测气体浓度。电容式气体传感器经常被用来进行湿度，也就是水蒸气的检测。将湿度敏感膜材料填充在电容式的湿度传感结构上，当其吸附(或解吸)水分子时会引起电容极板之间介电常数的变化，进而通过电容值的变化来检测气体的湿度。
5.但大多数现有的cmos mems流量传感器或气体/湿度传感器只能单一地实现流量
或气体/湿度的检测，并且功耗相对较高，在实际应用中经常需要同时检测流量与气体/湿度这些重要参数，而热式气体流量传感器的中心加热电阻恰巧可以对气体传感结构的敏感膜材料产生激活作用，所以在充分利用cmos mems工艺的基础上，将气体传感器的结构置于热式流量传感器中心加热电阻上方来实现流量与气体/湿度的同时检测是一种可行的方案；与以往的cmos mems热式流量传感器相比，通过精确设计流量传感器加热电阻的参数让其可以达到更高的温度，不仅可以提高流量传感器的性能，还可以同时提高气体传感器的传感效率；除此之外，充分利用了加热电阻的热量并通过设计加热电阻的参数使其达到一个合适的响应时间，使用频率高于加热电阻响应频率的方波电压信号对其进行供电，极大地降低了传感器的功耗并减小气体检测的滞回。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了克服现有技术的不足，填补领域的空白，实现单芯片同时测量流量与气体/湿度的功能，提供一种cmos-mems单片集成流量、气体/湿度传感器及其制作方法；该传感器充分利用了流量传感器加热电阻的热量，提高了能量的利用率，并且采用无需掩模版的post-cmos工艺，避免了复杂的光刻步骤，大大提高了整个post-cmos后处理的效率。传感部分采用悬空结构，具有快响应速度、低热量耗散的优势。
7.本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
8.一种cmos mems集成流量、气体/湿度传感器，包括硅衬底层及二氧化硅结构层，所述二氧化硅结构层设置于所述硅衬底层上方；所述二氧化硅结构层包括设置于两端的pad区域和设置于中央的流量传感器区域及气体/湿度传感器区域；所述pad区域中二氧化硅材料与金属材料交叠排布，金属via贯穿除顶层金属外的其他金属层；所述流量传感器区域包括加热电阻及分布在加热电阻两侧的第一热敏电阻和第二热敏电阻，加热电阻和第一热敏电阻及第二热敏电阻置于二氧化硅材料中，整体悬浮在空腔上方；所述气体/湿度传感器区域包括置于二氧化硅材料中的加热电阻及位于加热电阻上方的由最底层金属构成的气体/湿度传感电极和填充或沉积在气体/湿度传感电极上的敏感膜材料。
9.一种cmos mems集成流量、气体/湿度传感器的制备方法，采用无需掩模版操作的post-cmos加工方法，包括如下步骤：
10.步骤1：采用0.18um 1p6m工艺设计cmos裸片，在pad区域设计合理的金属层图案和金属via，使顶部两层金属之间充满二氧化硅材料，因此在金属刻蚀时，形成pad区域的天然掩膜，保护其结构；在流量传感器区域设计合理的多晶硅层图案，构成流量传感器的加热电阻和第一热敏电阻及第二热敏电阻；在流量传感器区域设计合理的金属层图案及金属via，使加热电阻和第一热敏电阻及第二热敏电阻上方保留一层薄二氧化硅材料，形成加热电阻和第一热敏电阻及第二热敏电阻的天然掩膜，同时via直通硅衬底，成为后续硅刻蚀的通道；利用底层金属在流量传感器的加热电阻上方设计合理的金属层图案以及金属via，形成气体/湿度传感器的电极结构；
11.步骤2：使用rie对步骤1中所得的cmos裸片进行sio2刻蚀，形成沟槽和微腔，使顶层金属铝和基底硅裸露；
12.步骤3：对步骤2所得芯片进行金属铝刻蚀，去掉顶层金属铝；
13.步骤4：采用rie对步骤3所得芯片进行sio2刻蚀，去除表层的sio2，并露出位于中心
加热电阻上方的气体/湿度传感器的电极结构；
14.步骤5：对步骤4所得芯片进行drie硅刻蚀，上述提到的sio2以及金属层作为硅的掩膜，形成高深宽比的硅沟槽；
15.步骤6：对步骤5所得芯片进行xef2各向同性干法刻蚀，释放传感器悬浮结构；
16.步骤7：对步骤6所得芯片进行敏感膜材料填充或沉积，使其填充或沉积在气体/湿度传感器的电极结构上。
17.有益效果：
18.1、本发明通过将气体/湿度传感结构设置于流量传感结构的中心加热电阻上方实现了同时检测流量与气体/湿度的功能，充分利用了加热电阻的热量来激活气体/湿度传感器的敏感膜材料，极大地提高了能量的利用率。
19.2、本发明通过精确设计流量传感器加热电阻的参数让其可以达到更高的温度，不仅可以提高流量传感器的性能，还可以同时提高气体/湿度传感器的传感效率；除此之外，通过设计加热电阻的参数使其达到一个合适的响应时间，使用频率高于加热电阻响应频率的方波电压信号对其进行供电，可以极大地降低传感器的功耗并减小气体/湿度检测的滞回。
20.3、本发明通过设计金属层图案，使其成为天然的多晶硅层的掩膜，从而可以无需掩模版并且无损地刻蚀出传感器件的所有功能部件，避免了复杂的光刻步骤。
21.4、实现了单芯片多种功能传感器集成，一体化设计及后续简便的加工工艺极大地降低了传感器的成本；本发明极大地提高了能量的利用率，具有高稳定性，高灵敏度及低热耗散，低滞回的优势，单芯片流量、气体/湿度集成传感器体积小、集成度高，因此可有效解决目前单功能传感器简单堆叠所造成的体积大、适配性差的问题，以及市面可见的气体流量、气体/湿度传感器能量利用率低、成本高、热耗散较大、灵敏度和响应速度相对受限的问题，并且成本低、制备加工方式简单，便于批量生产。
附图说明
22.图1是本发明cmos mems集成流量、气体/湿度传感器的立体结构示意图；其中(a)是电容式的气体/湿度传感电极结构，(b)是电阻式的气体/湿度传感电极结构；
23.图2是本发明cmos mems集成流量、气体/湿度传感器的制备流程图；其中图a为设计的cmos裸片，图b表示用rie对cmos裸片进行二氧化硅刻蚀，形成沟槽和微腔，图c表示金属层刻蚀，图d表示二氧化硅刻蚀，使气体/湿度传感器电极结构裸露，图e表示硅的drie刻蚀，在衬底上形成沟槽，图f表示xef2刻蚀，将悬浮结构释放，图g表示进行敏感膜材料的填充；
24.图3是本发明cmos mems集成流量、气体/湿度传感器的横截面图。
25.其中：1-si衬底；2-sio2结构层；3-第一热敏电阻；4-加热电阻；5-第二热敏电阻；6-空腔；7-气体/湿度传感电极结构；8-敏感膜材料。
具体实施方式
26.为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
27.见图1、图3所示：本实施例公开的一种cmos mems集成流量、气体/湿度传感器包括硅衬底层1及二氧化硅结构层2，所述二氧化硅结构层2设置于所述硅衬底层1上方；所述二氧化硅结构层2包括设置于两端的pad区域和设置于中央的流量传感器区域及气体/湿度传感器区域；所述pad区域中二氧化硅材料与金属材料交叠排布，金属via贯穿除顶层金属外的其他金属层；所述流量传感器区域包括加热电阻4及分布在加热电阻4两侧的第一热敏电阻3和第二热敏电阻5，加热电阻4和第一热敏电阻3及第二热敏电阻5置于二氧化硅材料中，整体悬浮在空腔6上方；所述气体/湿度传感器区域包括置于二氧化硅材料中加热电阻4上方的由底层金属构成的气体/湿度传感器的电极结构7和填充或沉积在气体/湿度传感器的电极结构7上的敏感膜材料8。
28.衬底的材料是硅晶圆。
29.结构层的材料是二氧化硅。
30.流量传感器的加热电阻以及第一、第二热敏电阻的材料是多晶硅。
31.气体/湿度传感结构的材料是金属铝和填充或沉积在其上的敏感膜材料。
32.见图2所示：本发明还提供了一种cmos mems集成流量、气体/湿度传感器的制备方法，图2是本发明实施方案中cmos mems集成流量、气体/湿度传感器的制备流程图，包括如下步骤：
33.步骤1：采用0.18um 1p6m工艺设计cmos裸片，在pad区域设计合理的金属层图案和金属via，使顶部两层金属之间充满二氧化硅材料，因此在金属刻蚀时，形成pad区域的天然掩膜，保护其结构；在气体流量传感器区域设计合理的多晶硅层图案，构成流量传感器的加热电阻和第一热敏电阻及第二热敏电阻；在流量传感器区域设计合理的金属层图案及金属via，使加热电阻和第一热敏电阻及第二热敏电阻上方保留一层薄二氧化硅材料，形成加热电阻和第一热敏电阻及第二热敏电阻的天然掩膜，同时via直通硅衬底，成为后续硅刻蚀的通道；利用底层金属在流量传感器的加热电阻上方设计合理的金属层图案以及金属via，形成气体/湿度传感器的电极结构。例如：设计叉指电容式的湿度传感结构。
34.步骤2：使用离子反应刻蚀(rie)对步骤1中的cmos裸片进行sio2刻蚀，形成沟槽和微腔，使第六层金属铝和基底硅裸露。例如：使用cf4和sf6进行各向异性干法刻蚀。
35.步骤3：对步骤2所得芯片进行金属铝刻蚀，去掉顶层金属铝。例如：使用cl2和bcl3进行各向异性干法刻蚀。
36.步骤4：采用离子反应刻蚀(rie)对步骤3所得芯片进行sio2刻蚀，去除表层的sio2，并露出位于中心加热电阻上方的气体/湿度传感器的电极结构。例如：使用cf4和sf6进行各向异性干法刻蚀。
37.步骤5：对步骤4所得芯片进行深反应离子刻蚀(drie)刻蚀硅，上述提到的sio2以及金属层作为硅的掩膜，形成高深宽比的硅沟槽，drie又名深反应离子刻蚀，是一种基于氟基气体的高深宽比硅干法刻蚀工艺。例如：在hse200s(深硅刻蚀机)中使用sf6和c4f8分别进行刻蚀与钝化处理。
38.步骤6：对步骤5所得芯片进行xef2各向同性干法刻蚀，释放传感器悬浮结构。使用xef2气体进行干法各向同性刻蚀，可以同时向硅沟槽两侧和底部进行刻蚀，从而形成加热电阻以及两个热敏电阻的悬浮结构。
39.步骤7：对步骤6所得芯片进行敏感膜材料填充或沉积，使其填充或沉积在气体/湿
度传感器的电极结构上。例如：通过点胶方式将聚酰亚胺填充到电极结构上，将聚酰亚胺在150℃下固化3小时。
40.本发明提供的cmos mems集成流量、气体/湿度传感器的实际应用，可以包括：将传感器附在载体(如pcb板)上，引出导线，连接外接信号处理模块，同时检测环境中的流量和气体/湿度。
41.本发明充分利用了加热电阻的热量来激活气体/湿度传感器的敏感膜材料，提高了能量的利用率，并且通过精确设计流量传感器加热电阻的参数让其可以达到更高的温度，不仅可以提高流量传感器的性能，还可以同时提高气体传感器的传感效率，对于使用聚酰亚胺作为湿度敏感材料的湿度传感器，这会大大降低其传感的滞后性；除此之外，通过设计加热电阻的参数使其达到一个合适的响应时间，使用频率高于加热电阻响应频率的方波电压信号对其进行供电，可以极大地降低传感器的功耗并减小气体/湿度检测的滞回。
42.本发明采用0.18um 1p6m cmos半导体工艺一次性设计传感器所需的结构，包括硅衬底层1和二氧化硅结构层2，以及包含在二氧化硅结构层中的各种功能部件，然后通过无需掩模版的post-cmos工艺得到具有悬浮结构的cmos-mems单片集成流量、气体/湿度传感器。与普通的cmos-mems流量传感器或气体/湿度传感器不同，本发明首创性的提出了一种单芯片流量、气体/湿度集成传感器的制备方法。通过将气体/湿度传感结构设置在流量传感器的中心加热电阻上，实现气体/湿度与流速的同时测量。设计金属层图案，使其成为二氧化硅以及多晶硅的掩膜，从而可以无需掩模版并且无损地刻蚀出传感器件的加热器、温度传感区域以及气体/湿度检测结构，避免了复杂的光刻步骤。与普通的流量传感器不同，本发明采用drie各向异性硅刻蚀方法和xef2各向同性硅刻蚀方法，形成使用悬浮结构的热式流量传感器，具有热耗散低、响应速度快的优势。
43.本发明提供的一种cmos-mems单片集成流量、气体/湿度传感器设计、加工方法实现了单芯片多种功能传感器集成，一体化设计及后续简便的加工工艺降低了传感器的成本；本发明极大地提高了能量的利用率，具有高稳定性，高灵敏度及低热耗散，低滞回的优势，单芯片流量、气体/湿度集成传感器体积小、集成度高，因此可有效解决目前单功能传感器简单堆叠所造成的体积大、适配性差的问题，以及市面可见的气体流量、气体/湿度传感器能量利用率低、成本高、热耗散较大、灵敏度和响应速度相对受限的问题，并且成本低、制备加工方式简单，便于批量生产。
44.以上仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术保护的范围之内。其它结构和原理与现有技术相同，这里不再赘述。

技术特征：
1.一种cmos mems集成流量、气体/湿度传感器，其特征在于：包括硅衬底层(1)和二氧化硅结构层(2)；所述二氧化硅结构层(2)设置于所述硅衬底层(1)上方；所述二氧化硅结构层(2)包括设置于两端的pad区域和设置于中央的气体流量传感器区域及气体湿度传感器区域；所述pad区域中二氧化硅材料与金属材料交叠排布，金属via贯穿除顶层金属外的其他金属层；所述气体流量传感器区域包括加热电阻(4)及分布在加热电阻(4)两侧的第一热敏电阻(3)和第二热敏电阻(5)，加热电阻(4)和第一热敏电阻(3)及第二热敏电阻(5)置于二氧化硅材料中，整体悬浮在空腔(6)上方；所述气体/湿度传感器区域包括置于二氧化硅材料中的加热电阻及位于加热电阻上方的由最底层金属构成的气体/湿度传感电极和填充或沉积在气体/湿度传感电极上的敏感膜材料。2.一种cmos mems集成流量、气体/湿度传感器的制作方法，其特征在于：采用无需掩模版操作的post-cmos方法，包括如下步骤：步骤1：cmos裸片：在pad区域设置金属层图案和金属via，使顶部两层金属之间充满二氧化硅材料，以便在金属刻蚀时，形成pad区域的天然掩膜；在气体流量传感器区域设置多晶硅层图案，构成流量传感器的加热电阻和第一热敏电阻及第二热敏电阻；在气体流量传感器区域设置金属层图案及金属via，使加热电阻和第一热敏电阻及第二热敏电阻上方保留一层薄二氧化硅材料，形成加热电阻和第一热敏电阻及第二热敏电阻的天然掩膜，同时via直通硅衬底，成为后续硅刻蚀的通道；利用底层金属在气体流量传感器的加热电阻上方设置金属层图案以及金属via，形成气体/湿度传感器的电极结构；步骤2：使用rie对步骤1中的cmos裸片进行sio2刻蚀，形成沟槽和微腔，使顶层金属铝和基底硅裸露；步骤3：对步骤2所得芯片进行金属铝刻蚀，去掉顶层金属铝；步骤4：采用rie对步骤3所得芯片进行sio2刻蚀，去除表层的sio2，并露出位于中心加热电阻上方的气体/湿度传感器的电极结构；步骤5：对步骤4所得芯片进行drie硅刻蚀，sio2以及金属层作为硅的掩膜，形成高深宽比的硅沟槽；步骤6：对步骤5所得芯片进行xef2各向同性干法刻蚀，释放传感器悬浮结构；步骤7：对步骤6所得芯片进行敏感膜材料填充或沉积，使其填充或沉积在气体/湿度传感器的电极结构上。

技术总结
本发明涉及一种CMOS MEMS集成流量、气体/湿度传感器，具体涉及一种CMOS MEMS集成流量、气体/湿度传感器及其制作方法；属于传感器领域。本发明的目的是为了克服现有技术的不足，填补领域的空白，实现单芯片同时检测气体流量与气体/湿度的功能，提供一种CMOS MEMS集成流量、气体/湿度传感器及其制作方法；该传感器充分利用了流量传感部分加热电阻的热量，极大地提高了能量的利用率，并且具有低功耗、高响应速度、低滞回的优势；采用无需掩模版操作的Post-CMOS工艺，避免了复杂的光刻步骤，有效降低了整个器件的后处理复杂程度，大大提高了整个Post-CMOS后处理的效率。CMOS后处理的效率。CMOS后处理的效率。


技术研发人员：王晓毅 丁厚伯 刘钟一 谢会开
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2023.02.13
技术公布日：2023/7/31