一種熱式氣體流量傳感器及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氣體傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種熱式氣體流量傳感器及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]熱流量傳感器指的是任何測(cè)量傳感器本體與傳感器位于其中的流體介質(zhì)之間的熱交換的傳感器。這些熱流量傳感器例如是氣體傳感器或壓力傳感器。熱式氣體傳感器用于使用氣體的熱傳導(dǎo)的變化進(jìn)行氣體分析，利用暴露在氣體中的發(fā)熱體的散熱量測(cè)量氣體的熱傳導(dǎo)的變化。
[0003]熱式氣體傳感器在各種技術(shù)領(lǐng)域中得到使用，在汽車用的內(nèi)燃機(jī)等中，為了實(shí)現(xiàn)低油耗，需要高精度地測(cè)量吸入空氣的流量、溫度、壓力和濕度等環(huán)境狀態(tài)。另外，上述傳感器還用于在以氫氣作為燃料的汽車用的內(nèi)燃機(jī)中通過檢測(cè)氫氣濃度使內(nèi)燃機(jī)以最佳方式運(yùn)行。
[0004]現(xiàn)有的基于MEMS技術(shù)的熱式氣體質(zhì)量流量傳感器的采用腔室工藝的襯底，其工藝復(fù)雜，成本較高，且抗振動(dòng)和隔熱性不能兼容。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]基于上述情況，有必要提供了一種熱式氣體流量傳感器及其制作方法。
[0006]一種熱式氣體流量傳感器，包括鋁襯底、設(shè)置在鋁襯底上的多孔陽(yáng)極氧化鋁層、沉積在陽(yáng)極氧化鋁層之上的第一絕緣層、設(shè)置在第一絕緣層上的多晶硅層、沉積在多晶硅層之上的第二絕緣層、設(shè)置在第二絕緣層上的金屬層以及覆蓋在金屬層之上的保護(hù)層；
[0007]其中，所述多晶硅層、第二絕緣層和金屬層共同順次構(gòu)成共同順次構(gòu)成環(huán)境溫度測(cè)量電極、上游溫度測(cè)量電極、加熱電極和下游溫度測(cè)量電極；所述第二絕緣層上設(shè)有第一通孔和第二通孔，其中上游溫度測(cè)量電極和下游溫度測(cè)量電極為熱電堆，該熱電堆由多個(gè)熱電偶串接形成，所述熱電偶為經(jīng)過刻蝕的多晶硅層通過第一通孔與金屬層連接而成；所述金屬層經(jīng)過刻蝕形成引腳，所述環(huán)境溫度測(cè)量電極、上游溫度測(cè)量電極、加熱電極和下游溫度測(cè)量電極分別通過第二通孔與對(duì)應(yīng)的引腳連接。
[0008]具體的，所述保護(hù)層設(shè)置在熱式氣體流量傳感器中間，覆蓋所述環(huán)境溫度測(cè)量電極、上游溫度測(cè)量電極、加熱電極和下游溫度測(cè)量電極對(duì)應(yīng)的金屬層上并露出各電極對(duì)應(yīng)的引腳。
[0009]具體的，在所述第一絕緣層上設(shè)置的是金屬層，在所述第二絕緣層上設(shè)置的是多晶娃層。
[0010]進(jìn)一步的，所述多孔陽(yáng)極氧化銷層的孔徑為0.03-0.4um，孔間距0.065-0.45um，孔深為 0.025-0.lum。
[0011]進(jìn)一步的，所述第一絕緣層和第二絕緣層均為氧化硅層。
[0012]一種熱式氣體流量傳感器的制造方法，包括如下步驟:
[0013]a、對(duì)鋁襯底進(jìn)行拋光處理并洗凈；
[0014]b、將鋁襯底進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理，在表面形成多孔陽(yáng)極氧化鋁層；
[0015]C、在多孔陽(yáng)極氧化鋁層上通過低壓化學(xué)氣相沉積法沉積第一絕緣層；
[0016]d、在第一絕緣層上通過低壓化學(xué)氣相沉積法沉積多晶硅層，同時(shí)離子注入磷，經(jīng)過正膠甩膠、前烘光刻顯影、后烘工藝后進(jìn)行反應(yīng)離子刻蝕，對(duì)多晶硅離子層刻蝕出圖形后去膠成型形成加熱電極和環(huán)境溫度測(cè)量電極；
[0017]e、在多晶硅層上通過低壓化學(xué)氣相沉積法沉積氧化硅，經(jīng)過正膠甩膠、前烘光刻顯影、后烘工藝后進(jìn)行反應(yīng)離子刻蝕，對(duì)多晶硅離子層刻蝕出圖形后去膠成型形成第二絕緣層，其中第二絕緣層設(shè)置了第一通孔和第二通孔；
[0018]f、在第二絕緣層上采用蒸發(fā)鍍膜的方法沉積金屬層，然后經(jīng)過正膠甩膠，前烘光刻顯影后，后烘工藝后進(jìn)行反應(yīng)離子刻蝕，對(duì)金屬層刻蝕出圖形后去膠成型，一部分金屬層通過第一通孔與經(jīng)過刻蝕的多晶硅層連接形成熱電偶，并由多個(gè)熱電偶串接形成熱電堆，其中，一個(gè)熱電堆設(shè)置在加熱電極和環(huán)境溫度測(cè)量電極之間形成上游溫度測(cè)量電極，另一個(gè)熱電堆設(shè)置在加熱電極的外側(cè)形成下游溫度測(cè)量電極；另一部分金屬層形成步驟d所述電極的引腳，所述引腳通過第二通孔與步驟d所述各電極連接；
[0019]g、在金屬層上通過低壓化學(xué)氣相沉積法沉積保護(hù)層，然后經(jīng)過正膠甩膠，前烘光刻顯影后，后烘工藝后進(jìn)行反應(yīng)離子刻蝕，對(duì)金屬層刻蝕出圖形后去膠成型形成保護(hù)層。
[0020]作為一種改進(jìn)，所述步驟d中離子注入的磷占多晶硅層總體比例的1% _3%。
[0021]進(jìn)一步的，所述步驟b中形成的多孔陽(yáng)極氧化鋁層的孔徑為0.03-0.4um，孔間距0.065-0.45um，孔深為 0.025-0.lum。
[0022]具體的，所述步驟c中第一絕緣層沉積厚度為0.8-1.2um，所述步驟e中第二絕緣層沉積厚度為0.2-0.3um。
[0023]具體的，所述步驟d中多晶娃層的沉積厚度為0.4-0.5um，所述步驟f中金屬層的沉積厚度為0.6-lum。
[0024]本發(fā)明一種熱式氣體流量傳感器根據(jù)本發(fā)明，通過在鋁襯底上進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理，形成多孔陽(yáng)極氧化鋁結(jié)構(gòu)，取代現(xiàn)有的基于MEMS技術(shù)的熱式氣體質(zhì)量流量傳感器所采用的腔室工藝的硅襯底，微觀多孔結(jié)構(gòu)的陽(yáng)極氧化鋁具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)和較高的機(jī)械性能，可以在實(shí)現(xiàn)隔熱性的同時(shí)具備抗振動(dòng)的性能，在惡劣工況下工作仍然能夠穩(wěn)定的對(duì)氣體流量進(jìn)行測(cè)量，陽(yáng)極氧化鋁的微觀多孔結(jié)構(gòu)對(duì)氣流的強(qiáng)度、方向和溫度都有極強(qiáng)的適應(yīng)性，因而本發(fā)明提供了一種高響應(yīng)性、高精度且高穩(wěn)定性的熱式氣體傳感器。另外，通過在陽(yáng)極氧化鋁層上通過沉積刻蝕的方式形成所需的加熱和采集電極能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路的簡(jiǎn)化，能夠提尚可靠性。
【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1為本發(fā)明一種熱式氣體流量傳感器的鋁襯底示意圖；
[0026]圖2為本發(fā)明一種熱式氣體流量傳感器的多孔陽(yáng)極氧化鋁層示意圖；
[0027]圖3為本發(fā)明一種熱式氣體流量傳感器的第一絕緣層示意圖；
[0028]圖4為本發(fā)明一種熱式氣體流量傳感器的多晶硅層俯視示意圖；
[0029]圖5為本發(fā)明一種熱式氣體流量傳感器的多晶硅層剖視示意圖；
[0030]圖6為本發(fā)明一種熱式氣體流量傳感器的第二絕緣層俯視示意圖；
[0031]圖7為本發(fā)明一種熱式氣體流量傳感器的第二絕緣層剖視示意圖；
[0032]圖8為本發(fā)明一種熱式氣體流量傳感器的金屬層俯視示意圖；
[0033]圖9為本發(fā)明一種熱式氣體流量傳感器的金屬層剖視示意圖；
[0034]圖10為本發(fā)明一種熱式氣體流量傳感器的保護(hù)層俯視示意圖；
[0035]圖11為本發(fā)明一種熱式氣體流量傳感器的保護(hù)層剖視示意圖；
[0036]圖12為本發(fā)明一種熱式氣體流量傳感器的使用狀態(tài)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清晰，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0038]如圖10-11所示，本發(fā)明一種熱式氣體流量傳感器，包括鋁襯底10，在本實(shí)施案例中金屬鋁襯底10可選取4至12英寸的金屬鋁襯底，以6英寸圓形為最優(yōu)，雙面拋光或僅單面拋光，厚度為300-1000um，以500um為最優(yōu)。
[0039]還包括設(shè)置在鋁襯底上的多孔陽(yáng)極氧化鋁層Ila和Ilb ;將金屬鋁襯底清洗干凈后進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理。處理成孔徑為0.03-0.4um,孔間距0.065-0.45um,孔深為0.025-0.1um的微觀多孔結(jié)構(gòu)。
[0040]進(jìn)一步還包括沉積在陽(yáng)極氧化鋁層之上的第一絕緣層12a和12b，本實(shí)施例中采用LPCVD (Low pressure chemical vapor deposit1n，低壓化學(xué)氣相沉積法)于微觀多孔結(jié)構(gòu)的金屬鋁襯底上下各沉積一層0.8-1.2um的氧化硅層作為第一絕緣層。在進(jìn)行多孔陽(yáng)極氧化鋁層氧化處理和沉積第一絕緣層時(shí)，金屬鋁襯底的兩側(cè)都會(huì)進(jìn)行同樣的處理，因此處理結(jié)果也是一樣，然而本實(shí)施例只需要利用一側(cè)，所以可以將不用的一側(cè)去除，即12a和12b以及Ila和Ilb只需要保留其中一個(gè)，在本實(shí)施例中采用的是lla、12a ;當(dāng)然也可以保留并不會(huì)影響本實(shí)施例的實(shí)施。
[0041]還包括，設(shè)置在第一絕緣層上的多晶硅層，沉積在多晶硅層之上的第二絕緣層15，設(shè)置在第二絕緣層上的金屬層。其中，所述多晶硅層、第二絕緣層和金屬層共同順次構(gòu)成環(huán)境溫度測(cè)量電極16a和13a、上游溫度測(cè)量電極17a和14a、加熱電極16b和13b和下游溫度測(cè)量電極17b和14b ;所述第二絕緣層上設(shè)有第一通孔和第二通孔，其中上游溫度測(cè)量電極17a和14a和下游溫度測(cè)量電極17b和14b為熱電堆，該熱電堆由多個(gè)熱電偶串接形成，所述熱電偶為經(jīng)過刻蝕的多晶硅層通過第一通孔與金屬層連接而成；所述金屬層經(jīng)過刻蝕形成引腳，所述環(huán)境溫度測(cè)量電極16a和13a、上游溫度測(cè)量電極17a和14a、加熱電極16b和13b和下游溫度測(cè)量電極17b和14b分別通過第二通孔與對(duì)應(yīng)的引腳連接。
[0042]在本實(shí)施例此步驟中，采用LPCVD法在氧化硅層12a上沉積0.4-0.5um的多晶硅層，同時(shí)離子注入濃度比例為1%?3%的磷來(lái)增強(qiáng)導(dǎo)電性能，然后經(jīng)過正膠甩膠，前烘光刻顯影后，后烘工藝后進(jìn)行反應(yīng)離子刻蝕，對(duì)多晶硅離子層刻蝕出圖形后去膠成型與第二絕緣層和金屬層共同形成所述的各電極，所述電極包括沿氣流通過方向的環(huán)境溫度測(cè)量電極16a和13a、上游溫度測(cè)量電極17a和14a、加熱電極16b和13b和下游溫度測(cè)量電極17b和 14b ο
[0043]具體的在沉積第二絕緣層15時(shí)，采用的是通過LPCVD法沉積一層0.