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热流体流量 传感器

阅读：773发布：2023-01-19

专利汇可以提供热流体流量传感器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且在本文中公开了一种基于CMOS的流量传感器，该流量传感器包括具有蚀刻部分的衬底；位于衬底上的介电区，其中，介电区包括在衬底的蚀刻部分的区域上方的介电膜；形成在介电膜内的p-n结型器件，其中，p-n结型器件被配置为作为温度感测器件操作。，下面是热流体流量传感器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于CMOS的流量传感器，包括：
包括蚀刻部分的衬底；
位于衬底上的介电区，其中，介电区包括在衬底的蚀刻部分的区域上方的介电膜；
形成在所述介电膜内的p-n结型器件，其中，所述p-n结型器件被配置为作为温度感测器件操作。
2.根据权利要求1所述的流量传感器，其中，所述p-n结型器件包括至少一个二极管或二极管阵列。
3.根据权利要求2所述的流量传感器，其中，所述二极管或所述二极管阵列位于所述介电膜的预定区域中，所述预定区域朝向所述衬底具有相对高的热隔离。
4.根据权利要求1所述的流量传感器，其中，所述p-n结型器件包括晶体管或晶体管阵列。
5.根据权利要求4所述的流量传感器，其中，所述晶体管或所述晶体管阵列包括二极管。
6.根据任一前述权利要求所述的流量传感器，包括位于所述介电膜外部的另外的p-n结型器件，其中，所述另外的p-n结型器件被配置为测量所述流量传感器的衬底温度。
7.根据任一前述权利要求所述的流量传感器，其中，所述p-n结型器件以可操作的方式连接到温度感测电路。
8.根据权利要求7所述的流量传感器，其中，所述温度感测电路包括与绝对温度成比例的电压(VPTAT)和与绝对温度成比例的电流(IPTAT)中的任何一个。
9.根据任一前述权利要求所述的流量传感器，其中，所述p-n结型器件被配置为作为加热元件操作。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的流量传感器，还包括在所述介电膜内的加热元件。
11.根据权利要求10所述的流量传感器，其中，所述p-n型器件位于所述介电膜内具有相对高的温度升高的加热元件下面。
12.根据权利要求10或11所述的流量传感器，其中，所述加热元件包括含钨的材料。
13.根据权利要求10或11所述的流量传感器，其中，所述加热元件包括含以下项中的任一种的材料：
n型或p型单晶硅；
n型或p型多晶硅；
铝、钛、硅化物或CMOS工艺中可用的任何其他金属或半导体材料。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的流量传感器，其中，所述加热元件包括安培连接和伏安连接。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的流量传感器，包括另外的加热元件，所述另外的加热元件被配置为在所述介电膜内重新校准所述加热元件。
16.根据权利要求9至15中任一项所述的流量传感器，其中，所述p-n结型器件和/或所述加热元件被配置为增加所述介电膜膜内的温度。
17.根据权利要求16所述的流量传感器，其中，所述p-n结型器件被配置为测量所述p-n结型器件与流体之间的热交换，并且所述p-n结型器件被配置为将所述热交换与所述流体的至少一个特性相关联，以便区分所述流体的形式。
18.根据权利要求17所述的流量传感器，其中，所述流体的特性包括速度、流速、施加的壁剪切应力、压力、温度、方向、导热率、扩散系数、密度、比热和运动粘度中的任何一个。
19.根据任一前述权利要求所述的流量传感器，其中，所述p-n型器件被配置为在正向偏置模式下操作，在所述正向偏置模式中，当以恒定正向电流操作时，所述p-n型器件两端的正向电压随温度线性降低。
20.根据权利要求1至18中任一项所述的流量传感器，其中，所述p-n型器件被配置为在反向偏置模式下操作，在所述反向偏置模式中，漏电流指数地取决于温度。
21.根据权利要求11至20中任一项所述的流量传感器，其中，所述p-n型器件和所述加热元件被配置为以脉冲模式和连续模式中的任一种模式操作。
22.根据任一前述权利要求所述的流量传感器，还包括一个或多个温度感测元件。
23.根据权利要求22所述的流量传感器，其中，所述一个或多个温度感测元件包括一个或多个热电堆，每个热电堆包括一个或多个串联连接的热电偶。
24.根据权利要求23所述的流量传感器，其中，每个热电偶包括在所述介电膜的第一区处形成结的两种不同材料，并且所述材料的另一端在所述膜的第二区处或在它们电连接的散热区中形成结。
25.根据权利要求24所述的流量传感器，其中，所述热电偶包括选自铝、钨、钛和这些材料的组合以及CMOS工艺中可用的任何其他金属中的任何一种的金属。
26.根据权利要求24所述的流量传感器，其中，所述热电偶包括含掺杂多晶硅或掺杂单晶硅的材料。
27.根据权利要求22至26中任一项所述的流量传感器，其中，一个温度感测元件被配置为用于流量感测，并且另一个温度感测元件被配置为重新校准所述一个温度感测元件。
28.根据权利要求22至27中任一项所述的流量传感器，其中，当一个温度感测元件被配置为故障时，另一个温度感测元件被配置为替换所述一个温度感测元件。
29.根据任一前述权利要求所述的流量传感器，包括所述衬底中的另外的蚀刻部分、和位于所述衬底的所述另外的蚀刻部分的区域上方的另外的介电膜。
30.根据权利要求29所述的流量传感器，其中，所述另外的介电膜包括另外的p-n结型器件。
31.根据权利要求29或30所述的流量传感器，其中，所述另外的介电膜包括压力传感器，所述压力传感器包括压电元件。
32.根据任一前述权利要求所述的流量传感器，还包括与所述流量传感器在同一芯片上形成的电路系统。
33.根据任一前述权利要求所述的流量传感器，同一封装中形成有电路。
34.根据权利要求33所述的流量传感器，其中，所述电路系统包括开关、多路复用器、解码器、滤波器、放大器、模数转换器、定时块、RF通信电路和存储器中的任何一个。
35.根据权利要求1至31中任一项所述的流量传感器，其中，将所述电路系统使用专用集成电路(ASIC)或分立组件、或ASIC与所述分立组件的组合而放置在所述介电膜区域的区域外部。
36.根据任一前述权利要求所述的流量传感器，其中，所述衬底包括以下项中的任一个：
硅；
绝缘体上硅；
碳化硅；
砷化镓；
氮化镓；和/或
碳化硅、砷化镓、氮化镓与硅的组合。
37.根据任一前述权利要求所述的流量传感器，其中，使用以下项中的一个或多个来封装所述器件：
金属晶体管输出(TO)型封装；
陶瓷、金属或塑料表面安装封装；
倒装芯片方法；
芯片或晶片级封装；
印刷电路板(PCB)。
38.根据权利要求37所述的流量传感器，其中，所述封装用空气、干燥空气、氩气、氮气、氙气或任何其它惰性气体来紧密密封或半紧密密封；和/或在真空中封装所述器件。
39.根据任一前述权利要求所述的流量传感器，还包括被配置为实现三维3D堆叠技术的硅通孔(TSV)。
40.根据任一前述权利要求所述的流量传感器，其中，所述介电膜具有以下项中的任一种：
圆形形状；
矩形形状；
方形形状；以及
圆角形状。
41.根据任一前述权利要求所述的流量传感器，其中，所述p-n结型器件具有圆形形状、矩形形状和六边形形状中的任何一种形状。
42.一种制造基于CMOS的流量传感器的方法，所述方法包括：
在包括蚀刻部分的衬底上形成至少一个介电膜，其中，所述介电膜位于所述衬底的所述蚀刻部分的区域上方；
在所述至少一个介电膜内形成p-n结型器件，其中，所述p-n结型器件作为温度感测器件操作。
43.根据权利要求42所述的方法，其中，所述至少一个介电膜由以下操作中的任何一种形成：
使用深反应离子蚀刻DRIE来回蚀所述衬底，产生竖直侧壁；以及
使用诸如KOH(氢氧化钾)或TMAH(四甲基氢氧化铵)的各向异性蚀刻，产生倾斜侧壁。
44.实质上如说明书中参考附图所述并如附图所示的一种流量传感器和一种制造所述流量传感器的方法。

说明书全文

热流体流量 传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及流量传感器，特别但不仅仅涉及一种采用p-n结型器件作为温度感测器件操作的微加工CMOS热流体流量传感器。

背景技术

[0002] 热流体流量传感器依赖于传感器本身和流体之间的热相互作用。根据管控相互作用的物理现象，流量传感器可以分为以下三类：(i)风力测定传感器测量通过发热元件的流体流动引起的对流热传递；(ii)量热传感器检测由发热元件产生的以及由流体流动的强制对流引起的温度分布的不对称性；(iii)飞行时间(ToF)传感器测量施加和感测热脉冲之间经过的时间。已经公布了对热流体流量传感器的详细评述(B.Van Oudheusden，“Silicon flow sensors，”in Control Theory and Applications，IEE Proceedings D，1988，pp.373-380；B.Van Oudheusden，“Silicon thermal flow sensors，”Sensors a nd Actuators A：Physical，vol.30，pp.5-26，1992；N.Nguyen，“Micromachined flow sensors-A review.”Flow measurement an d Instrumentation，vol.8，pp.7-16，1997；Y.-H.Wang et al.，“MEMS-based gas flow sensors，”Microfluidics and nanofluid ics，vol.6，pp.333-346，2009；J.T.Kuo等人的″Micromachine d Thermal Flow Sensors-A Review，″Micromachines，vol.3，pp.550-573，2012)。进一步的背景也可以在Kersjes等人的US6460411中找到。

[0003] 在A.Van Putten和S.Middelhoek的“Integrated silicon ane mometer，”Electronics Letters，vol.10，pp.425-426，1974和A.Van Putten，“An integrated silicon double bridge anemomet er，”Sensors and Actuators，vol.4，pp.387-396，1983中，基于传感器的致动器被集成在惠斯通电桥配置内的芯片上。B.Van Oudhe usden和J.Huijsing，“Integrated flow friction sensor，”Sens ors and Actuators，vol.15，pp.135-144，1988提出了一种热流量传感器，其被校准用于摩擦测量，其中除了加热电阻器和环境温度监测晶体管之外的热电偶被集成在芯片上。J.H.Huijsing等人的“Monolithic integrated direction-sensitive flow sensor，”Elec tron Devices，IEEE Transactions on，vol.29，pp.133-136，1982，W.S.Kuklinski等人的“Integrated-circuit bipolar transi stor array for fluid-velocity measurements，”Medical and Biological Engineering and Computing，vol.19，pp.662-664，1981，Platzer和T.Qin-Yi以及H.Jin-Biao的”A novel CMOS flow s ensor with constant chip temperature(CCT)operation，”的US3992940是基于晶体管的风速计的示例。所有先前提到的引用的主要缺点在于缺乏发热元件的有效热隔离，其导致高功率耗散、低灵敏度和传感器的慢动态响应。

[0004] 在D.Moser等人的“Silicon gas flow sensors using industr ial CMOS and bipolar IC technology，”Sensors and Actuators A：Physical，vol.27，pp.577-581，1991中，使用七个npn晶体管的阵列作为加热元件并悬挂在晶体硅悬臂梁上以实现有效的热隔离。普通的pn 二极管测量梁上的温度。十九个硅/铝热电偶上的电压——其中在梁上的热结和衬底上的冷结——与气体流动速度有关，同时加热器以恒定功率驱动。与使用悬臂结构相关的问题是它们经受机械脆性和振动敏感性。

[0005] 类似地，L.Lofdahl等人的“A sensor based on silicon tech nology for turbulence measurements，”Journal of Physics E：Scientific Instruments，vol.22，p.391，1989提出了一种集成在悬臂梁上的加热电阻器和加热器温度感测二极管。使用聚酰亚胺作为梁和衬底之间的热隔离材料。尽管改进了梁的热隔离，但聚酰亚胺的使用进一步影响了梁的机械强度。

[0006] 在R.Kersjes等人的“An integrated sensor for invasive bl ood-velocity measurement，”Sensors and Actuators A：Physical，vol.37，pp.674-678，1993中，将以恒定加热功率驱动的多晶硅加热器和用于加热器温度监测的第一二极管放置在硅膜上。将第二二极管放置在衬底上以用于环境温度监测。类似的传感器也出现在A.Van der Wiel等人的”A liquid velocity sensor based on the hot-wire principle，”Sensors and Actuators A：Physical，vol.37，pp.693-697，1993中，其中更多的二极管配置的晶体管串联连接，以便改进传感器的温度灵敏度。由于硅层的高导热性，所以使用硅作为膜材料并不理想。这导致传感器的高功率耗散、低灵敏度和慢动态响应。

[0007] 在Kersjes等人的US6460411中，提出了一种由绝热材料槽穿孔的硅膜作为使功率耗散、灵敏度和动态响应降低的问题的解决方案，其以更复杂的制造过程为代价，但仍然没有从膜上完全去除硅。

[0008] 在US20160216144A1中，公开了一种CMOS流量传感器，包括加热元件和多个热电偶。有趣的是，加热元件和热电偶的感测结通过介电膜热隔离。然而，热电偶仍然在膜内提供额外的散热路径，因此增加了功率耗散，降低了灵敏度并减慢了传感器的动态响应。

[0009] 在E.Yoon和K.D.Wise的“An integrated mass flow sensor with on-chip CMOS interface circuitry，”Electron Devices，IEEE Transactions on，vol.39，pp.1376-1386，1992中提出了一种多测量的流量传感器。传感器能够测量流动速度、流动方向、温度和压力。它还具有流量辨别能力。一切都与片上电路系统集成在一起。经由介电膜提供热元件的热隔离。然而，使用了金并且这使得该工艺并非完全CMOS兼容，因此比完全CMOS工艺更昂贵。

[0010] N.Sabaté等人的”Multi-range silicon micromachined flow sensor，”Sensors and Actuators A：Physical，vol.110，pp.282-288，2004提出了一种多范围流量传感器，使用位于与镍电阻加热器不同距离处的镍电阻器作为温度传感器。镍不是标准CMOS材料，使得传感器制造工艺比完全CMOS工艺更昂贵。

发明内容

[0011] 本发明的一个目的是提供一种CMOS流量传感器(一种微加工的CMOS热流体流量传感器)，更具体地，一种用于借助于p-n结型器件来测量器件本身与环境之间的热交换变化的器件。

[0012] 在所附权利要求中阐述了各方面和优选特征。

[0013] 我们在本文中公开了一种基于CMOS的流量传感器，包括：包括蚀刻部分的衬底；位于衬底上的介电区，其中，介电区包括在衬底的蚀刻部分的区域上方的介电膜；形成在介电膜内的p-n结型器件，其中，p-n结型器件被配置为作为温度感测器件操作。有利地，该器件被配置为借助于p-n结型器件来测量器件本身与环境之间的热交换的变化。该布置还被配置成为流量传感器提供改进的热隔离。

[0014] 起始衬底可以是硅，或绝缘体上硅(SOI)。然而，可以使用将硅与另一种与最先进的CMOS制造工艺兼容的半导体材料结合的任何其他衬底。采用CMOS制造工艺可确保传感器的大批量生产、低成本、高再现性以及支持该工艺的铸造厂的广泛可用性。CMOS工艺还能够实现片上电路系统，以提高传感器性能和便于系统集成。

[0015] 可以通过使用衬底的深反应离子蚀刻(DRIE)的回蚀来形成介电膜或膜，这导致竖直形成侧壁，因此能够减小传感器尺寸和成本。然而，也可以通过使用诸如KOH(氢氧化钾)或TMAH(四甲基氢氧化铵)的各向异性蚀刻来进行回蚀，这导致形成侧壁倾斜。膜也可以通过正面蚀刻或正面和背面蚀刻的组合形成，以产生仅由两个或更多个梁支撑的悬浮膜结构。膜可以是圆形、矩形或具有圆角的矩形形状，以减小角部的应力，但是也可以是其他形状。

[0016] 介电膜可以包括二氧化硅和/或氮化硅。膜还可以包括一层或多层旋涂玻璃、以及在一个或多个介电层上的钝化层。使用低导热率材料(例如电介质)能够显着降低功率耗散，并增加膜内温度梯度，在传感器性能(例如灵敏度、频率响应、范围等)方面具有直接优势。

[0017] 膜还可以具有由多晶硅、单晶硅或金属制成的其他结构。这些结构可以嵌入膜内，或者可以在膜的上方或下方，以设计膜的热机械特性(例如刚度、温度分布等)和/或流体与膜之间的流体动力学相互作用。更一般地，这些结构也可以在膜外部和/或在膜的内部和外部之间桥接。

[0018] 形成在介电膜内的p-n结型器件可以是二极管或二极管阵列，用于增强灵敏度并位于具有朝向衬底的最高热隔离的膜区域中。二极管可以由多晶硅或单晶硅制成。

[0019] p-n结型器件也可以是三端器件，即晶体管。晶体管可以具有易实现的栅极或基极接触，或者可以使栅极/基极与另外两个端子中的一个端子短路。例如，基极与集电极短路的npn晶体管可以成为p-n二极管。也可以以阵列形式放置更多的晶体管。p-n结型器件也可以是具有至少一个p-n结的任何其他类型的器件。

[0020] p-n结型器件被配置为作为温度感测器件操作。测量衬底/壳体/环境温度的参考p-n结型器件可以放置在膜区域外部并用于补偿目的。任何p-n结型器件也可以是更复杂的温度感测电路的一部分，例如VPTAT(与绝对温度成比例的电压)或IPTAT(与绝对温度成比例的电流)。

[0021] 根据一个实施例，p-n结型器件也可以同时用作加热元件以及温度感测器件。将电流注入到介电膜内形成的p-n结型器件中导致局部温度升高。然后可以通过pn结型器件本身测量pn结型器件和流体之间的热交换，并且与流体的至少一种特性(例如速度、流速、施加的壁剪切应力、压力、温度、方向、导热率、扩散系数、密度、比热、运动粘度等)。感测这种流体特性可以实现流体辨别(或区分)。例如，流量传感器可以感测流体是否是气体形式或液体形式，或者传感器可以在不同的流体之间(例如，空气和CO2之间)进行辨别，或者流体是否是传感器可以测量混合比的混合物。可以获得流体特性的定性信息(例如液体或气体形式)和定量信息(例如气体浓度)。

[0022] 在一个实施例中，在介电膜内形成附加的加热元件，并且可以由钨制成。钨具有很强的抗电迁移性，可以准许高电流密度，从而可靠地达到超过600℃的温度。加热元件也可以由单晶硅(n型掺杂、p型掺杂或未掺杂)、多晶硅(n型掺杂、p型掺杂或未掺杂)、铝、钛、硅化物或任何其他金属或半导体材料都可用于最先进的CMOS工艺。加热元件可以提供安培连接和伏安连接，允许4线式测量其电阻。向电阻加热元件中注入电流导致局部温度升高。然后可以通过p-n结型装置测量加热元件和流体之间的热交换，并将其与流体的至少一种特性相关联。有利地，p-n型器件可以制造得非常小并且位于具有最高温度升高的膜区域中的电阻加热元件正下方，从而导致传感器的性能(例如灵敏度、频率响应、范围等)提高。

[0023] p-n结可以在正向偏置模式下操作，其中当在恒定正向电流下操作时，二极管两端的正向电压随温度线性降低(对于硅，该斜率为-1至2mV/℃)，或者可以在反向偏置模式下操作，其中泄漏指数地取决于温度。由于正向电压模式的线性度和精度以及再现性，前一种方法可能是优选的方法。后者可以具有更高的灵敏度，但漏电流从一个器件到另一器件或从许多器件到另一器件的再现性较低。

[0024] 加热器和p-n结型器件可以以脉冲模式(例如，用方波、正弦波、脉冲宽度调制波等驱动)或连续模式操作。其中，脉冲模式具有降低功耗、减少电迁移以增强器件可靠性/寿命以及改进流体特性感测能力的优点。

[0025] 在一个实施例中，一个或多个附加的热电堆可以用作温度感测元件。热电堆包括一个或多个串联连接的热电偶。每个热电偶可以包括两种不同的材料，其在膜的第一区处形成结，而材料的另一端在膜的第二区或在散热区(膜区域外的衬底)处形成结，它们与相邻的热电偶或与用于外部读出的焊盘电连接。

[0026] 热电偶材料可以包括金属，例如铝、钨、钛或这些金属或最先进的CMOS工艺、掺杂的多晶硅(n型或p型)或掺杂的单晶硅(n型或p型)中的任何其他金属的组合。在两种材料都是多晶硅和/或单晶硅的情况下，可以使用金属链接来形成它们之间的结。

[0027] 热电偶的每个结的位置以及热电偶的数量和形状可以是任何期望的形式，以充分地映射膜上的温度分布以实现特定的性能。

[0028] 在一个实施例中，一个或多个温度感测元件(p-n结型器件或热电偶)和一个或多个加热元件嵌入膜内。温度感测元件和加热元件的形状、位置和数量的选择可以是任何期望的形式，以充分产生温度分布和/或映射膜上的温度分布以实现特定性能，并且可以导致多方向、多范围、多特性感测能力。例如，流量传感器可以设计成感测流速和流动方向，或流速、流动方向和流体导热率，或流体特性的任何其他组合。

[0029] 另外，温度感测元件和/或加热元件的冗余可以用于改进流量传感器的可靠性/寿命和/或用于完整性评估。例如，在流量感测仅需要第一温度感测元件的第一种情况下，第二温度感测元件可以用于重新校准第一温度感测元件或在第一温度感测元件发生老化时用于代替第一温度感测元件。在第二种情况下，在流量感测仅需要第一加热元件的情况下，第二加热元件可以用于重新校准第一加热元件或在第一加热元件发生老化时用于代替第一加热元件。

[0030] 在一个实施例中，衬底可以包括：多于一个的蚀刻部分；位于衬底上的介电区，其中，介电区包括在衬底的蚀刻部分的每个区域上方的介电膜。至少一个膜包含前述实施例中描述的特征的任何组合。适当选择这些特征可以实现多方向、多范围、多特性的感测能力。例如，流量传感器可以设计成：具有包含感测流速的特征的第一膜和包含感测流动方向的特征的第二膜、或者包含感测流速和流动方向的特征的第一膜和包含感应流体导热率的特征的第二膜。也可以是流体特性的任何其他组合。

[0031] 除了包含前述实施例中描述的特征的任何组合的至少一个膜之外，流量传感器还可以设计成具有一个或多个用作压力传感器的附加膜。基于膜的压力传感器是众所周知的并且依赖于压电元件(例如压电电阻器、压电二极管、压电FET等)以在施加压力之后具有与膜的位移成比例的电信号。压力感测膜还可以用于压力补偿目的，以改进流量传感器性能(例如灵敏度、范围、动态响应等)，以增加流量传感器可靠性/寿命和/或用于完整性评估。

[0032] 在一个实施例中，模拟/数字电路系统可以集成在芯片上。电路系统可以包括IPTAT、VPTAT、放大器、模数转换器、存储器、RF通信电路、定时块、滤波器或用于驱动加热元件、从温度感测元件读出或电子操纵传感器信号的任何其他装置。例如，证明了以恒定温度模式驱动的加热元件导致增强的性能，并且具有实现该驱动方法的芯片上装置将导致最先进技术的流量传感器的显著进步。此外，可以经由片上装置实现已知的3ω的驱动方法，或实现特定性能(例如功率耗散、灵敏度、动态响应、范围、流体特性检测等)所需的任何其他驱动方法，例如恒定温度差和渡越时间(time of flight)。在没有片上电路系统的情况下，当应用于具有在任何前述实施例中描述的一个或多个特征的流量传感器时，本公开还涵盖这种电路块的片外实现方式。这种片外实现方式可以在ASIC中或通过分立组件或两者的混合来完成。

[0033] 该器件可以封装在金属TO型封装、陶瓷、金属或塑料SMD(表面贴装器件)封装中。该器件也可以直接封装在PCB上，或者采用倒装芯片方法封装。该器件还可以嵌入衬底中，例如前面提到的封装、刚性PCB、半刚性PCB、柔性PCB或任何其他衬底中的一种的定制版本，以使器件表面与衬底表面齐平。器件膜可以用气体(例如空气、干燥空气、氩气、氮气、氙气或任何其他气体)或液体而紧密(hermetically)密封或半紧密密封，以设计器件的热机械特性。该器件也可以在真空中封装。封装也可以是芯片或晶片级封装，例如通过晶片结合形成的封装。

[0034] 流量传感器可以具有硅通孔(TSV)，以避免在器件的敏感区域附近存在可能影响流量传感器读数的结合线。有利地，具有TSV的流量传感器可以实现3D堆叠技术。例如，流量传感器芯片可以位于ASIC的顶部，从而减小传感器系统的尺寸。

[0035] 流量传感器可以用于从智能能源(例如HVAC、白色家电、气体计量)和工业自动化(例如泄漏测试、分配、分析仪器)到医疗(例如肺活量测定、二氧化碳测定、呼吸器、吸入器、药物递送)和流体动力学研究(例如湍流测量、流量附件)的应用中。有趣的是，本发明还能够应用于恶劣环境(从低温区域到高达300℃的环境温度)，例如锅炉、汽车、空间等。

[0036] 我们在本文中还公开了一种制造基于CMOS的流量传感器的方法，该方法包括：在包括蚀刻部分的衬底上形成至少一个介电膜，其中，介电膜位于衬底的蚀刻部分的区域上方；以及在至少一个介电膜内形成p-n结型器件，其中，p-n结型器件作为温度感测器件操作。附图说明

[0037] 现在将仅通过示例的方式并参照附图描述本发明的一些优选实施例，其中：

[0038] 图1示出了SOI CMOS流量传感器的示意性横截面，该SOI CMOS流量传感器具有嵌入在由DRIE蚀刻的衬底(即膜)的一部分内的二极管，产生竖直侧壁；

[0039] 图2示出了CMOS流量传感器的示意性横截面，该CMOS流量传感器具有嵌入在产生倾斜侧壁的由湿法蚀刻来蚀刻的衬底(即膜)的一部分内的二极管；

[0040] 图3示出了嵌入圆形膜内的矩形二极管的示意顶视图；

[0041] 图4示出了嵌入方形膜内的圆形二极管的示意顶视图；

[0042] 图5示出了CMOS流量传感器的示意性横截面，该CMOS流量传感器具有嵌入膜内的三个串联二极管；

[0043] 图6示出了CMOS流量传感器的示意性横截面，该CMOS流量传感器具有嵌入膜内的二极管以及介电区内和上方的附加结构；

[0044] 图7示出了CMOS流量传感器芯片的示意性顶视图，该CMOS流量传感器芯片具有嵌入膜内的二极管以及衬底上的参考二极管；

[0045] 图8示出了SOI CMOS流量传感器的示意性横截面，该SOI CMOS流量传感器具有嵌入膜内的二极管和加热元件；

[0046] 图9示出了嵌入在绕线型加热元件下面的膜内的二极管的示意性顶视图；

[0047] 图10示出了CMOS流量传感器的示意性横截面，该CMOS流量传感器具有嵌入在加热元件下面的膜内的二极管以及热电偶；

[0048] 图11示出了嵌入在加热元件下面的膜内的二极管以及在衬底上具有参考结的两个热电堆的示意性顶视图；

[0049] 图12示出了嵌入在加热元件下面的膜内的二极管以及膜内的具有两个结的热电堆的示意性顶视图；

[0050] 图13示出了嵌入在加热元件下面的膜内的二极管以及附加二极管的示意性顶视图；

[0051] 图14示出了膜内的多环型加热元件以及附加的二极管的示意性顶视图；

[0052] 图15示出了嵌入膜内的各自位于加热元件下面的两个二极管的示意性顶视图；

[0053] 图16示出了两个二极管阵列的示意性顶视图，该两个二极管阵列嵌入膜内的各自位于交叉状布置的加热元件下面；

[0054] 图17示出了嵌入在加热元件下面的膜内的二极管以及附加的热电堆的示意性顶视图；

[0055] 图18示出了双膜CMOS多传感器芯片的示意性横截面；

[0056] 图19示出了双膜CMOS多传感器芯片的示意性顶视图；

[0057] 图20示出了多膜CMOS多传感器芯片的示意性顶视图；

[0058] 图21是使用用于热反馈的二极管实现恒温差驱动方法的电路的示例；

[0059] 图22是可以单片集成在芯片上的电路块的示例；

[0060] 图23示出了CMOS流量传感器的示意性横截面，该CMOS流量传感器具有嵌入膜内的三个串联二极管、集成在芯片上的电路、以及硅通孔(TSV)；

[0061] 图24是表面与PCB表面齐平的3D堆叠在嵌入PCB内的ASIC上的流量传感器的示例；

[0062] 图25是具有密封的膜腔室的传感器芯片的示例；

[0063] 图26示出了概述流量传感器的制造方法的示例性流程图。

具体实施方式

[0064] 图1示出了SOI CMOS流量传感器的示意性横截面，该SOI CMOS流量传感器包括衬底1，衬底1包括：由干法蚀刻获得蚀刻部分，并且产生竖直侧壁；位于衬底上的介电区包括第一介电层2(在SOI工艺中，这通常称为掩埋氧化物层，BOX)、第二介电层3和钝化层4。位于衬底上的介电区还包括在衬底的蚀刻部分的区域上方的膜。在图1中，使用介电区内的两个虚线边界示出膜区。相同的定义适用于其余的图。流量传感器还包括形成在介电膜内的p-n结型器件，其中p-n结型器件是二极管并且包括p区5和n区6。二极管连接到金属迹线7以用于外部访问，并且被配置为作为温度感测器件操作。二极管还可以被配置为作为加热元件操作。

[0065] 图2示出了CMOS流量传感器的示意性横截面，该CMOS流量传感器包括：衬底1，包括：由湿法蚀刻获得且产生倾斜侧壁的蚀刻部分；位于衬底上的介电区，包括第一介电层3和钝化层4。位于衬底上的介电区还包括在衬底的蚀刻部分的区域上的膜。流量传感器还包括形成在介电膜内的p-n结型器件，其中p-n结型器件是二极管并且包括p区5和n区6。二极管连接到金属迹线7以用于外部访问，并且被配置为作为温度感测器件操作。二极管还可以被配置为作为加热元件操作。

[0066] 图3示出了矩形二极管的示意性顶视图，该矩形二极管包括嵌入圆形膜8内的p区5和n区6。膜区9是圆周边内的整个区域。二极管连接到金属迹线7以用于外部访问，并且被配置为作为温度感测器件操作。二极管还可以被配置为作为加热元件操作。

[0067] 图4示出了圆形二极管的示意性顶视图，该圆形二极管包括嵌入方形膜8内的p区5和n区6。在该示例中，膜区9是正方形内的整个区域。二极管连接到金属迹线7以用于外部访问，并且被配置为作为温度感测器件操作。二极管还可以被配置为作为加热元件操作。

[0068] 图5示出了CMOS流量传感器的示意性横截面，该CMOS流量传感器包括：衬底1，包括由干法蚀刻获得蚀刻部分，并且产生竖直侧壁；位于衬底上的介电区，包括第一介电层3和钝化层4。位于衬底上的介电区还包括在衬底的蚀刻部分的区域上方的膜。流量传感器还包括形成在介电膜内的p-n结型器件。p-n结型器件是串联的三个二极管的阵列，每个二极管包括p区5和n区6。二极管阵列连接到金属迹线7以用于外部访问，并且被配置为作为温度感测器件操作。二极管阵列还可以被配置为作为加热元件操作。

[0069] 图6示出了CMOS流量传感器的示意性横截面，该CMOS流量传感器包括：衬底1，包括由干法蚀刻获得蚀刻部分，并且产生竖直侧壁；位于衬底上的介电区，包括第一介电层3和钝化层4。位于衬底上的介电区还包括在衬底的蚀刻部分的区域上方的膜。流量传感器还包括形成在介电膜内的p-n结型器件，其中p-n结型器件是二极管并且包括p区5和n区6。二极管连接到金属迹线7以用于外部访问，并且被配置为作为温度感测器件操作。二极管阵列也可以被配置为作为加热元件操作。流量传感器还包括位于衬底上的介电区内和介电区上方的附加结构，以设计介电区的热机械特性(例如刚度、温度分布等)和/或流体与介电区之间的流体动力学相互作用。

[0070] 图7示出了包括矩形二极管在内的流量传感器芯片10的示意性顶视图，该矩形二极管包括嵌入圆形膜8内的p区5和n区6。二极管连接到金属迹线7以用于外部访问，并且被配置为作为温度感测器件操作。二极管也可以被配置为作为加热元件操作。流量传感器芯片10还包括膜8外部的参考p-n结型器件11。参考p-n结型器件11可以是二极管，并且用于测量衬底/壳体/环境温度，以用于补偿目的。任何p-n结型器件也可以是更复杂的温度感测电路的一部分，例如VPTAT(与绝对温度成比例的电压)或IPTAT(与绝对温度成比例的电流)。

[0071] 图8示出了SOI CMOS流量传感器的示意性横截面，该CMOS流量传感器包括：衬底1，包括由干法蚀刻获得蚀刻部分，并且产生竖直侧壁；位于衬底上的介电区包括第一介电层2(在SOI工艺中，这通常称为掩埋氧化物层，BOX)、第二介电层3和钝化层4。位于衬底上的介电区还包括在衬底的蚀刻部分的区域上方的膜。流量传感器还包括形成在介电膜内的p-n结型器件，其中p-n结型器件是二极管并且包括p区5和n区6。二极管连接到金属迹线7以用于外部访问，并且被配置为作为温度感测器件操作。流量传感器还包括形成在介电膜内的电阻器12，其中该电阻器被配置为作为加热元件操作。

[0072] 图9示出了矩形二极管的示意性顶视图，该矩形二极管包括嵌入圆形膜8内的p区5和n区6。二极管连接到金属迹线7以用于外部访问，并且被配置为作为温度感测器件操作。膜8还包括电阻器12，其中该电阻器被配置为作为加热元件操作。电阻器12连接到金属迹线以用于外部访问，其中迹线被配置为允许对电阻器12的电阻进行4线式测量，并且包括安培迹线13和伏安迹线14。

[0073] 图10示出了CMOS流量传感器的示意性横截面，该CMOS流量传感器包括：衬底1，包括由干法蚀刻获得蚀刻部分，产生竖直侧壁；位于衬底上的介电区，包括第一介电层3和钝化层4。位于衬底上的介电区还包括在衬底的蚀刻部分的区域上方的膜。流量传感器还包括形成在介电膜内的p-n结型器件，其中p-n结型器件是二极管并且包括p区5和n区6。二极管被配置为作为温度感测器件操作。流量传感器还包括形成在介电膜内的电阻器12，其中该电阻器被配置为作为加热元件操作。流量传感器还包括用作附加温度感测元件的热电堆15和16。热电堆包括一个或多个串联连接的热电偶。每个热电偶包括两种不同的材料，其在膜的第一区处形成结，而材料的另一端在散热区(膜区域外的衬底)中形成结，其中它们与相邻的热电偶或与用于外部读出的焊盘电连接。

[0074] 图11示出了矩形二极管的示意性顶视图，该矩形二极管包括嵌入圆形膜8内的p区5和n区6。二极管连接到金属迹线7以用于外部访问，并且被配置为作为温度感测器件操作。
膜8还包括电阻器12，其中该电阻器被配置为作为加热元件操作。电阻器12连接到金属迹线
13以用于外部访问。膜还包括用作附加温度感测元件的热电堆。热电堆包括一个或多个串联连接的热电偶。每个热电偶包括两种不同的材料17和18，其在膜的第一区处形成结19，而材料的另一端在散热区(膜区域外的衬底)处形成结20，其中它们与相邻的热电偶或与用于外部读出的焊盘电连接。

[0075] 图12示出了矩形二极管的示意性顶视图，该矩形二极管包括嵌入圆形膜8内的p区5和n区6。二极管连接到金属迹线7以用于外部访问，并且被配置为作为温度感测器件操作。
膜8还包括电阻器12，其中该电阻器被配置为作为加热元件操作。电阻器12连接到金属迹线
13以用于外部访问。膜还包括用作附加温度感测元件的热电堆。热电堆包括一个或多个串联连接的热电偶。每个热电偶包括两种不同的材料17和18，其在膜的第一区处形成结19，而材料的另一端在膜的第二区处形成结20，其中它们与相邻的热电偶或与用于外部读出的焊盘电连接。

[0076] 图13示出了矩形二极管的示意性顶视图，该矩形二极管包括嵌入圆形膜8内的p区5和n区6。二极管连接到金属迹线7以用于外部访问，并且被配置为作为温度感测器件操作。
膜8还包括电阻器12，其中该电阻器被配置为作为加热元件操作。电阻器12连接到金属迹线
13用于外部访问。膜还包括在膜8内形成的附加p-n结型器件，其中p-n结型器件是二极管
21，其被配置为作为附加的温度感测器件操作。

[0077] 图14示出了四个二极管的示意性顶视图，每个二极管包括嵌入圆形膜8内的p区5和n区6。二极管连接到金属迹线7以用于外部访问，并且被配置为作为温度感测器件操作。膜8还包括多环型电阻器12，其中该电阻器被配置为作为加热元件操作。电阻器12连接到金属迹线13以用于外部访问。

[0078] 图15示出了两个矩形二极管的示意性顶视图，每个二极管包括嵌入具有圆角的矩形膜8内的p区5和n区6。二极管连接到金属迹线7以用于外部访问，并且被配置为作为温度感测器件操作。膜8还包括两个电阻器12，其中电阻器被配置为作为加热元件操作。电阻器12连接到金属迹线13以用于外部访问。

[0079] 图16示出了两个二极管阵列的示意性顶视图，每个二极管阵列由两个矩形二极管形成，每个矩形二极管包括以交叉状布置嵌入圆形膜8内的p区5和n区6。二极管连接到金属迹线7以用于外部访问，并且被配置为作为温度感测器件操作。膜8还包括交叉状布置的两个电阻器12，其中电阻器被配置为作为加热元件操作。电阻器12连接到金属迹线13以用于外部访问。

[0080] 图17示出了矩形二极管的示意性顶视图，该矩形二极管包括嵌入具有圆角的矩形膜8内的p区5和n区6。二极管连接到金属迹线7以用于外部访问，并且被配置为作为温度感测器件操作。膜8还包括电阻器12，其中该电阻器被配置为作为加热元件操作。电阻器12连接到金属迹线13以用于外部访问。膜还包括用作附加温度感测元件的热电堆。热电堆包括一个或多个串联连接的热电偶。每个热电偶包括两种不同的材料17和18，其在膜的第一区处形成结19，而材料的另一端在膜的第二区处形成结20，它们与相邻的热电偶或与用于外部读出的焊盘电连接。

[0081] 图18示出了双膜CMOS多传感器芯片的示意性横截面，该双膜CMOS多传感器芯片包括：衬底1，包括由干法蚀刻获得两个蚀刻部分，并且产生竖直侧壁；位于衬底上的介电区，包括第一介电层3和钝化层4。位于衬底上的介电区还包括在衬底的蚀刻部分的区域上方的两个膜。流量传感器还包括形成在第一介电膜内的p-n结型器件，其中p-n结型器件是二极管并且包括p区5和n区6。二极管被配置为作为温度感测器件操作。流量传感器还包括形成在第一介电膜内的电阻器12，其中该电阻器被配置为作为加热元件操作。流量传感器还包括形成在第二介电膜内的p-n结型器件，其中p-n结型器件是被配置为作为温度感测器件操作的二极管。流量传感器还包括形成在第二介电膜内的压电元件22，其中该压电元件是被配置为作为压力感测器件操作的压电电阻器。

[0082] 图19示出了双膜CMOS多传感器芯片23的示意性顶视图。多传感器芯片23包括第一矩形二极管，第一矩形二极管包括嵌入第一方形膜8内的p区5和n区6。二极管连接到金属迹线7以用于外部访问，并且被配置为作为温度感测器件操作。膜8还包括Z字形电阻器12，其中该电阻器配置为作为加热元件操作。电阻器12连接到金属迹线13以用于外部访问。多传感器芯片还包括嵌入第二方形膜24内的第二矩形二极管，并被配置为作为温度感测器件操作。流量传感器还包括形成在第二膜24内的压电元件22，其中该压电元件是被配置为作为压力感测器件操作的压电电阻器。

[0083] 图20示出了多膜CMOS多传感器芯片25的示意性顶视图。多传感器芯片25包括第一矩形二极管，第一矩形二极管包括嵌入第一圆形膜8内的p区5和n区6。二极管连接到金属迹线7以用于外部访问，并且被配置为作为温度感测器件操作。膜8还包括绕线型电阻器12，其中该电阻器配置为作为加热元件操作。电阻器12连接到金属迹线13以用于外部访问。膜8还包括热电堆，该热电堆被配置为作为附加的温度感测元件操作。多传感器芯片还包括嵌入第二方形膜24内的第二圆形二极管，并被配置为作为温度感测器件操作。膜24还包括绕线型电阻器，其中该电阻器被配置为作为加热元件操作，并且热电堆被配置为作为附加温度感测元件操作。多传感器芯片还包括嵌入第一方形膜26内的第三矩形二极管，并被配置为作为温度感测器件操作。方形膜还包括压电元件22，其中该压电元件是被配置为作为压力感测器件操作的压电电阻器。多传感器芯片25还包括膜8、24和26外部的参考p-n结型器件11。参考p-n结型器件11可以是二极管，并且用于测量衬底/壳体/环境温度，以用于补偿目的。

[0084] 图21是使用二极管Dh以及使用二极管Da实现恒温差驱动方法的电路的示例，二极管Dh利用电流发生器IDh驱动，以获得对加热电阻器Rh的温度的热反馈，二极管Da利用电流发生器IDa驱动，以获得对衬底/外壳/环境的热反馈，以用于补偿目的。通过信号V控制设置加热电阻器Rh的操作温度。电阻器Rh中的电流由晶体管T控制，晶体管T的栅极由放大器A2的输出信号控制。

[0085] 图22是可以单片集成在芯片上的电路块的示例。这些块包括但不限于：驱动电路块，驱动加热元件和/或感测元件；衬底/外壳/环境温度感测电路块，可以用作驱动电路块的输入，如图21所示；包括优选实施例中公开的任何感测结构的膜；放大电路块，用于操纵感测结构的模拟输出，放大电路块可以包括放大器以及用于降噪的滤波器或用于操纵模拟信号的任何其他装置；模数转换器，允许对感测结构输出进行数字处理、存储和通信。电路块还可以接收来自外界的数据，允许远程控制放大参数、A/D转换、驱动和存储在存储器中的数据。也可以包括其他电路块，例如多路复用器和解复用器，以从芯片上的许多可用感测结构中选择一个；也可以集成开关，以打开/关闭一些或所有电路块，从而降低功耗。

[0086] 图23示出了CMOS流量传感器的示意性横截面，该CMOS流量传感器包括：衬底1，包括由干法蚀刻获得蚀刻部分，并且产生竖直侧壁；位于衬底上的介电区，包括第一介电层3和钝化层4。位于衬底上的介电区还包括在衬底的蚀刻部分的区域上方的膜。流量传感器还包括形成在介电膜内的p-n结型器件，其中p-n结型器件是串联的三个二极管的阵列，每个二极管包括p区5和n区6。二极管阵列连接到金属迹线7以用于外部访问，并且被配置为作为温度感测器件操作。二极管阵列还可以被配置为作为加热元件操作。流量传感器还包括一些单片集成电子器件，例如本文中的MOSFET 27。流量传感器还可以包括硅通孔(TSV)28，从而避免存在可能影响在器件表面上的流动的结合线。

[0087] 图24是流量传感器的示例，该流量传感器在表面与PCB表面齐平的情况下3D堆叠在嵌入PCB 29内的ASIC上。

[0088] 图25是3D堆叠在密封衬底上的传感器芯片的示例。衬底可以是硅衬底或允许密封传感器膜下方的腔室的任何其他衬底。衬底也可以是ASIC。

[0089] 图26示出了概述流量传感器的制造方法的示例性流程图。

[0090] 技术人员应理解，在前面的描述和所附权利要求中，诸如“上方”、“重叠”、“下方”、“侧面”等的位置术语是参考器件的概念性图示来做出的，例如那些示出标准横截面透视图的位置术语和附图中所示的位置术语。这些术语用于便于参考，但不旨在限制性质。因此，这些术语应理解为指代当处于如附图所示的取向时的器件。

[0091] 应当认识到，上述所有掺杂极性可以颠倒，所得到的器件仍然是根据本发明的实施例。

[0092] 尽管如上阐述已在优选实施例方面说明了本发明，但是应该理解，这些实施例仅是说明性的，并且权利要求不限于这些实施例。鉴于本公开内容，本领域技术人员将能够进行修改和替换，这些修改和替换被认为落入所附权利要求的范围内。在本说明书中公开或示出的每一个特征，无论单独或者与本文公开或示出的任意其他特征进行任意合适组合，可包含在本发明中。

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