一种单片集成MEMS差压流量计及其制备方法与流程

一种单片集成mems差压流量计及其制备方法
技术领域：
1.本发明属于微电子传感器技术领域，涉及一种单片集成mems差压流量计及其制备方法。


背景技术：

2.计量是工业生产的眼睛，流量作为工业生产过程的重要物理量，需要被精准的测量。尤其对于中、小流量的精确测量，市场对流量计的便携性、性价比和适用范围提出更高的需求。差压式流量计作为流量测量仪表家族中的一员，以其低成本和高精度的优势，成为流量测量领域应用最为广泛的一种流量计量仪表。根据检测件形式的不同，差压流量计可分为多个子类型流量计，其中多孔平衡流量计作为一种节能型仪表，与传统的孔板式流量计相比，能最大限度的将流场平衡调整成理想状态，在相同测量工况且不降低压差的情况下，造成的永久性压损较小。此外，该类型流量计对直管段要求低，具有较高的量程比和精度等级，常用于工业生产中的大型流量测量。
3.但现有的多孔平衡流量计存在整体尺寸较大，取压装置无法与多孔节流器集成，安装便携性较差等缺点。随着半导体工艺的快速发展，元器件的尺寸极大地被减小，成本大幅度下降，工艺集成度大大提高。将多孔平衡流量计与以mems技术为基础的差压传感器相集成，不仅降低了成本，提高了产品集成度和便携性，而且能保持多孔平衡流量计的原有优势，可应用于中小流量的测量，在包含智能家电的物联网中具有良好的应用前景。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种单片集成的mems差压流量计结构，该流量计将节流器与mems差压芯片集成为一体，具有体积小、成本低、易安装的特点。
5.本发明的另一个目的是提供所述单片集成mems差压流量计的制备方法。
6.本发明的技术解决方案：一种单片集成mems差压流量计，包括mems差压芯片，节流器和电极信号接口；其中mems差压芯片位于流量计整体结构的中心位置，包括应力感应薄膜，压阻式应力敏感电桥和应力腔，应力感应薄膜位于mems差压芯片的中心位置，电桥位于应力感应薄膜四周，电桥内电阻呈对称分布，应力感应薄膜下方为梯形应力腔；节流器与mems差压芯片为一体，在同一硅片上加工制备，节流器上有多个函数孔，分布在以mems差压芯片为中心的外圆周上，流体通过函数孔时，使节流器前后段产生应力差；电极信号接口位于流量计结构的两侧，用于应力信号的传输。
7.所述mems差压芯片、节流器和电极信号接口均在单晶硅上完成工艺制备。
8.本发明的一种单片集成的mems差压流量计，当流体通过时，节流器上的函数孔使节流器前后端产生应力差，位于中心位置的应力感应薄膜感应到应力变化，压阻式应力敏感电桥将应力变化转换为电压信号，并最终传送至电极信号接口。
9.单片集成mems差压流量计的制备方法，包括以下步骤：
10.1.在硅片背面光刻应力空腔；
11.2.将硅片正面机械减薄，形成应力感应薄膜；
12.3.在应力感应薄膜上层氧化生成sio2，光刻压阻图形；
13.4.离子注入，分别形成p-区，p 区和n 区；
14.5.硅片正面标记位置光刻，溅射金属腐蚀形成电极；
15.6.硅片正面标记位置刻蚀，形成函数孔；
16.7.划片。
17.本发明的优点和积极效果：
18.本发明的单片集成mems差压流量计，在同一硅片上同时实现了mems差压芯片、节流器、电极信号接口的设计及制备。与传统的差压流量计相比，既避免了mems差压芯片与节流器集成所带来的噪声和尺寸的影响，又有效利用了差压流量计原有的测量优势，使器件具有集成度高、成本低、体积小的特点。
附图说明
19.图1为本发明单片集成mems差压流量计的结构示意图。其中(a)为俯视图，(b)为图(a)中心轴剖面图。
20.图2(a)至(g)为本发明单片集成mems差压流量计的主要制备过程。
21.图中：
22.1-硅片，2-mems差压芯片，3-电极信号接口，4-节流器函数孔，5-应力感应薄膜，6-压阻式应力敏感电桥，7-应力腔
具体实施方式
23.实施例1：单片集成mems差压流量计结构
24.图1所示为单片集成mems差压流量计的结构示意图。包括mems差压芯片2，电极信号接口3和节流器函数孔4。mems差压芯片2，电极信号接口3和节流器函数孔4在同一个硅片1上加工制备。mems差压芯片2在流量计结构中心位置，由应力感应薄膜5，压阻式应力敏感电桥6和应力腔7组成。应力感应薄膜5位于mems差压芯片2中心位置，应力感应薄膜5下方为应力腔7，压阻式应力敏感电桥6分布在应力感应薄膜5周围。节流器函数孔4分布在mems差压芯片2外圆周上，用于产生应力差。电极信号接口3位于流量计结构的两侧。
25.实施例2：单片集成mems差压流量计的制备方法
26.图2所示为单片集成mems差压流量计的主要制备工艺。
27.1.在硅片背面，光刻应力空腔，如图2(a)所示；
28.2.将硅片正面机械减薄，形成应力感应薄膜，如图2(b)所示；
29.3.在应力感应薄膜上层氧化生成二氧化硅(sio2)，光刻压阻图形，如图2(c)所示；
30.4.注入硼离子b ，做p-区；
31.5.干法去胶，进行第三次光刻，注入硼离子b ，做p 区；
32.6.常规去胶，第四次光刻，注入磷离子p-，做n 区，如图2(d)所示；
33.7.干法去胶，湿蚀刻sio2，热氧化，形成隔离层；
34.8.溅射金属al，厚度为1μm，如图2(e)所示；
35.9.光刻引线，腐蚀al，长钝化层，光刻形成电极，如图2(f)所示；
36.10.硅片正面标记位置刻蚀，形成函数孔，如图2(g)所示。
37.11.划片。
38.采用上述方法制备的单片集成mema差压流量计，具体的内部结构设计为：其中心位置为mems差压芯片2，节流器函数孔4分布在mems差压芯片2外圆周位置，电极信号接口3在流量计结构的两侧。mems差压芯片2内部包含应力感应薄膜5和压阻式应力敏感电桥6，应力腔7位于应力感应薄膜5下方。流量计信号流向为：上电后，当管道内流体流经单片集成mems差压流量计时，节流器函数孔4使其前后应力发生改变，应力感应薄膜5感应应力变化，压阻式应力敏感电桥6将应力变化转换为电压信号，输出至电极信号接口3。


技术特征：
1.一种单片集成mems差压流量计，包括mems差压芯片，节流器和电极信号接口；其中mems差压芯片包括应力感应薄膜，压阻式应力敏感电桥和应力腔，应力感应薄膜位于mems差压芯片的中心位置，压阻式应力敏感电桥位于应力感应薄膜四周，应力感应薄膜下方为应力腔。节流器函数孔分布在mems差压芯片外圆周上，用于产生应力差。电极信号接口位于流量计结构的两侧。2.权利要求1所述的一种单片集成mems差压流量计，其特征在于，所述的mems差压芯片，节流器和电极信号接口在同一硅片上设计及加工制备。3.权利要求1所述的一种单片集成mems差压流量计，其特征在于，所述mems差压芯片位于流量计整体结构的中心位置。4.权利要求1所述的一种单片集成mems差压流量计，其特征在于，所述压阻式应力敏感电桥内电阻对称分布。5.权利要求1所述的一种单片集成mems差压流量计，其特征在于，所述应力腔，结构为梯型，使应力集中于应力感应薄膜上。6.权利要求1所述的一种单片集成mems差压流量计，其特征在于，所述节流器函数孔分布在以mems差压芯片为中心的外圆周上，节流器函数孔数量根据应用环境要求，数量应大于或等于2个。7.权利要求1所述的一种单片集成mems差压流量计，其特征在于，所述mems差压芯片与电极信号接口通过金属连接，用于信号传输。8.权利要求1所述的单片集成mems差压流量计的制备方法，依次包括以下步骤：(1)在硅片背面光刻、刻蚀应力腔；(2)将硅片正面机械减薄，形成应力感应薄膜；(3)在应力感应薄膜上层氧化生成sio2，光刻压阻图形；(4)离子注入，分别形成p-区，p 区和n 区；(5)硅片正面标记位置光刻，溅射金属腐蚀形成电极；(6)硅片正面标记位置刻蚀，形成函数孔；(7)划片。9.权利要求8所述的单片集成mems差压流量计的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)将硅片机械减薄，形成的应力感应薄膜厚度为百纳米级。

技术总结
本发明提供了一种单片集成MEMS差压流量计及其制备方法。本发明的单片集成MEMS差压流量计包括：MEMS差压芯片，节流器和电极信号接口，其中MEMS差压芯片的内部集成应力感应薄膜，压阻式应力敏感电桥和应力腔；节流器与MEMS差压芯片为一体，节流器上分布有多个函数孔，流体通过函数孔时，使节流器前后段产生应力差。本发明的单片集成MEMS差压流量计，在同一硅片上同时实现了MEMS差压芯片、节流器、电极信号接口的设计及制备，与传统的差压流量计相比，既避免了MEMS差压芯片与节流器集成所带来的噪声和尺寸的影响，又有效利用了差压流量计原有的测量优势，使器件具有集成度高、成本低、体积小的特点。体积小的特点。体积小的特点。


技术研发人员：张威 赵晓东 周浩楠
受保护的技术使用者：北京智芯传感科技有限公司
技术研发日：2021.12.09
技术公布日：2022/3/18