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单膜式流量压力感测装置

阅读：295发布：2023-01-24

专利汇可以提供单膜式流量压力感测装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且在这里我们公开了一种基于CMOS的感测装置，该感测装置包括：基板，该基板包括蚀刻部分；位于基板上的第一区，其中第一区包括形成在基板的蚀刻部分的区域上方的膜区；形成在膜区内的流量传感器；以及形成在膜区内的压力传感器。，下面是单膜式流量压力感测装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于CMOS的感测装置，包括：
基板，所述基板包括蚀刻部分；
位于所述基板上的第一区，其中，所述第一区包括形成在所述基板的所述蚀刻部分的区域上方的膜区；
形成在所述膜区内的流量传感器；以及
形成在所述膜区内的压力传感器。
2.根据权利要求1所述的感测装置，其中，所述膜区是位于所述基板的所述蚀刻部分的正上方的区域，并且其中，所述膜区由所述基板沿着其整个周边支撑。
3.根据权利要求1或2所述的感测装置，其中，所述流量传感器包括p-n结型器件。
4.根据权利要求3所述的感测装置，其中，所述p-n结型器件被配置成用作温度感测装置。
5.根据权利要求3或4所述的感测装置，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。
6.根据权利要求3或4所述的感测装置，其中，所述p-n结型器件包括晶体管或晶体管阵列，并且其中，所述晶体管或所述晶体管阵列均包括二极管。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的感测装置，所述感测装置包括位于所述膜区外部的另一p-n结型器件，其中所述另一p-n结型器件被配置成测量所述传感器的基板温度。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的感测装置，其中，所述p-n结型器件可操作地连接到温度感测电路，并且其中，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)中的任一者。
9.根据权利要求3至8中任一项所述的感测装置，其中，所述p-n结型器件被配置成用作加热元件。
10.根据权利要求3至8中任一项所述的感测装置，所述感测装置还包括在所述膜区内的加热元件。
11.根据权利要求10所述的感测装置，其中，所述p-n结型器件位于所述膜区内的具有相对高的温升的所述加热元件的下方。
12.根据权利要求1或2所述的感测装置，其中，所述流量传感器包括电阻器，并且其中，所述电阻器被配置成用作加热元件。
13.根据权利要求10、11或12所述的感测装置，其中，所述加热元件包括具有下列中的任一者的材料：
n或p型单晶硅；
n或p型多晶硅；
钨、铝、钛、硅化物或CMOS工艺中能够利用的任何其他金属或半导体材料。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的感测装置，其中，所述加热元件包括安培连接件和伏安连接件。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的感测装置，所述感测装置包括另一加热元件，所述另一加热元件被配置成重新校准所述膜区内的所述加热元件。
16.根据权利要求9至15中任一项所述的感测装置，其中，所述p-n结型器件和/或所述加热元件被配置成增加所述膜区内的温度。
17.根据权利要求16所述的感测装置，其中，所述p-n结型器件被配置成测量所述p-n结型器件与流体之间的热交换，以及所述p-n结被配置成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所述的感测装置，其中，所述流体的特性包括下列中的任一者：速度、流速、施加的壁剪切应力、压力、温度、方向、热导率、扩散系数、密度、比热和运动粘度。
19.根据权利要求3至18中任一项所述的感测装置，其中，所述p-n结型器件被配置成以正向偏压模式操作，在所述正向偏压模式中，穿过所述p-n结型器件的正向电压在恒定的正向电流下操作时随着温度线性地降低。
20.根据权利要求3至18中任一项所述的感测装置，其中，所述p-n结型器件被配置成以反向偏压模式操作，在所述反向偏压模式中，泄露电流与温度呈指数关系。
21.根据权利要求9至20中任一项所述的感测装置，其中，所述p-n结型器件和所述加热元件被配置成以脉冲模式和连续模式中的任一种模式操作。
22.根据权利要求3至21中任一项所述的感测装置，所述感测装置还包括一个或更多个温度感测元件，并且其中，所述一个或更多个温度感测元件包括一个或更多个热电堆，每个所述热电堆包括一个或更多个串联连接的热电偶。
23.根据权利要求22所述的感测装置，其中，每个热电偶包括两种不同的材料，所述两种不同的材料在所述膜区的第一区处形成结，并且所述两种不同材料的另一端在所述膜的第二区处或在散热区中形成结，所述另一端在所述膜的第二区处或所述散热区处被电连接。
24.根据权利要求23所述的感测装置，其中，所述热电偶包括选自铝、钨、钛和这些材料的组合以及在CMOS工艺中能够利用的任何其他金属中的任一种的材料。
25.根据权利要求23所述的感测装置，其中，所述热电偶包括具有掺杂的多晶硅或掺杂的单晶硅的材料。
26.根据权利要求22至25中任一项所述的感测装置，其中，一个温度感测元件被配置成用于流量感测，以及另一个温度感测元件被配置成重新校准所述一个温度感测元件。
27.根据权利要求22至26中任一项所述的感测装置，其中，当一个温度感测元件被配置成失效时，另一个温度感测元件被配置成代替所述一个温度感测元件。
28.根据前述权利要求中任一项所述的感测装置，其中，所述压力传感器是机械压力传感器，所述机械压力传感器包括形成在所述膜区内的至少一个压电元件。
29.根据权利要求28所述的感测装置，其中，所述压电元件包括压电电阻器、压电二极管、压电晶体管，并且其中，所述压电元件被配置成使得电输出与所述膜区在施加压力下的机械位移相关联。
30.根据权利要求28或29所述的感测装置，其中，所述压电元件位于所述膜内的对应力具有增加的灵敏度的区域中。
31.根据权利要求28、29或30所述的感测装置，其中，所述压电元件包括具有下列材料的材料：
n型掺杂、p型掺杂或未掺杂的单晶硅；
n型掺杂、p型掺杂或未掺杂的多晶硅；或
硅和多晶硅的组合。
32.根据权利要求28至31中任一项所述的感测装置，其中，所述压电元件形成在多个区段或以阵列形式布置。
33.根据权利要求28至32中任一项所述的感测装置，所述感测装置还包括压力感测电路，所述压力感测电路包括至少一个所述压电元件。
34.根据权利要求28至33中任一项所述的感测装置，所述感测装置还包括位于所述膜区外部的另外的压电元件，并且其中，所述另外的压电元件被配置成用作温度补偿装置。
35.根据权利要求34所述的感测装置，所述感测装置包括温度补偿电路，所述温度补偿电路包括位于所述膜区外部的所述另外的压电元件。
36.根据权利要求35所述的感测装置，其中，所述温度补偿电路包括下列中的任一者：
惠斯通电桥感应电路；
与绝对温度成比例的电压(VPTAT)；
与绝对温度成比例的电流(IPTAT)；以及
差分放大器。
37.根据前述权利要求中任一项所述的感测装置，其中，所述流量传感器和所述压力传感器被配置成并联操作，使得两个传感器同时操作。
38.根据权利要求1至37中任一项所述的感测装置，其中，所述流量传感器和所述压力传感器被配置成串联操作，使得每次所述流量传感器和所述压力传感器中的一个操作。
39.根据权利要求38所述的感测装置，其中，当所述压力传感器未激活时，所述压力传感器的压电元件被配置成用作所述流量传感器的附加温度感测元件。
40.根据权利要求39所述的感测装置，其中，所述用作附加温度感测元件的压电元件提供关于流动方向的信息。
41.根据前述权利要求中任一项所述的感测装置，所述感测装置包括在所述基板中的另一蚀刻部分，以及另一膜区位于所述基板的所述另一蚀刻部分的区域上方。
42.根据权利要求41所述的感测装置，其中，所述膜区和所述另一膜区分别包括所述流量传感器和所述压力传感器。
43.根据权利要求41所述的感测装置，其中，所述另一膜区包括流量传感器或压力传感器。
44.根据前述权利要求中任一项所述的感测装置，所述感测装置还包括与所述传感器形成在同一芯片上的电路。
45.根据前述权利要求中任一项所述的感测装置，所述感测装置形成有在同一封装件中的电路。
46.根据权利要求45所述的感测装置，其中，所述电路包括下列中的任一者：
与绝对温度成比例的电压(VPTAT)；
与绝对温度成比例的电流(IPTAT)；
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、存储器；
和/或
用于驱动和读取所述加热元件、所述温度感测元件和所述压电元件的装置；和/或用于电子操纵传感器信号的装置；和/或
用于启用/禁用感测元件的装置。
47.根据权利要求1至44中任一项所述的感测装置，所述感测装置包括放置在芯片区域外部的电路，所述电路使用专用集成电路(ASIC)或分立部件或ASIC与所述分立部件的组合。
48.根据前述权利要求中任一项所述的感测装置，其中，所述基板包括下列中的任一者：
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。
49.根据前述权利要求中任一项所述的感测装置，其中，使用下列中的一种或更多种来封装所述感测装置：
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)。
50.根据前述权利要求中任一项所述的感测装置，所述感测装置还包括：硅通孔(TSV)，所述硅通孔被配置成实现三维(3D)堆叠技术。
51.根据前述权利要求中任一项所述的感测装置，其中，所述膜区具有下列形状中的任一者：
圆形形状；
矩形形状；
方形形状；和
圆角形状。
52.一种制造基于CMOS的感测装置的方法，所述方法包括：
在包括蚀刻部分的基板上形成至少一个膜区，其中所述膜区位于所述基板的所述蚀刻部分的区域上方；
在所述膜区内形成流量传感器；以及
在所述膜区内形成压力传感器。
53.根据权利要求51所述的方法，其中，所述至少一个膜区由下列中的任一者形成：
使用所述基板的深反应离子蚀刻(DRIE)进行背蚀刻，以产生竖直侧壁；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，以产生倾斜侧壁。
54.一种基本上如前面参照附图所述并如附图中所示的传感器和制造传感器的方法。

说明书全文

单膜式流量压力感测装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种单膜式流量压力传感器，其中压电元件、加热元件和温度感测元件嵌入同一膜内。

背景技术

[0002] 热流体流量传感器依赖于传感器自身和流体之间的热相互作用。根据控制相互作用的物理现象，流量传感器可以分为下列三类：(i)风速传感器，其测量由穿过受热元件的流体流引起的对流热传递；(ii)量热传感器，其检测由受热元件产生并由流体流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，其测量热脉冲的应用和感测之间经过的时间。已经公布了热流体流量传感器的详细综述(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 and Actuators A：Physical，vol.30，pp.5-26，1992；N.Nguyen，“Micromachined flow sensors-A review”，Flow measurement and Instrumentation，vol.8，pp.7-16，1997；Y.-H.Wang等，“MEMS-based gas flow sensors”，Microfluidics and nanofluidics，vol.6，pp.333-346，2009；J.T.Kuo等，“Micromachined 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。通常的热流量传感器包括与基板热隔离的加热元件和温度感测元件(例如嵌入膜、桥、悬臂等中)。加热元件和温度感测元件通常都位于最隔热的区域中(例如，在膜的中心、在桥的中心以及在悬臂的末端等)。

[0003] 微机械压力传感器基于测量膜(或悬臂)中的在经受由于正在感测的压力而引起的应力时的机械变形。根据控制机电转换的物理现象，压力传感器可以分为四类：(i)基于由于几何变化或压阻的电阻变化的压电传感器；(ii)基于电容变化的电容传感器；(iii)基于结构中振动元件的共振频率的变化的共振传感器；或(vi)基于光学共振的变化的光学传感器。关于该主题的详细综述可以在下列文献中找到：W.P.Eaton and J.H.Smith，“Micromachined pressure sensors：review and recent developments”，Smart Materials and Structures，vol.6，p.530，1997；K.Bhat，“Silicon micromachined pressure sensors”，Journal of the Indian Institute of Science，vol.87，p.115，2012以及S.S.Kumar and B.Pant，“Design principles and considerations for the‘ideal’silicon piezoresistive pressure sensor：a focused review”，Microsystem technologies，vol.20，pp.1213-1247，2014。关于本发明，压电类是特别令人感兴趣的。压电压力传感器通常包括锚固到基板的可变形结构(例如，膜、梁、悬臂等)。通常，至少一个压电元件(例如压电电阻器、压电二极管、压电FET等)被放置在易受最大机械应力影响的区域中，通常在可变形结构和基板之间的边缘附近。

[0004] 在O.Tabata等，“Monolithic pressure-flow sensor”，Electron Devices，IEEE Transactions on，vol.34，pp.2456-2462，1987中报告了一种硅基单片压力流量传感器。其操作基于用于压力感测的压阻效应和用于流量感测的热传递。传感器芯片具有第一隔热结构，该第一隔热结构由氧化的多孔硅膜制成。该结构将位于膜上的加热元件与芯片的其余部分热隔离。第二膜配置压力感测元件。

[0005] E.Yoon和K.D.Wise，“An integrated mass flow sensor with on-chip CMOS interface circuitry”，Electron Devices，IEEE Transactions on，vol.39，pp.1376-1386，1992中报告了一种能够测量气体流速、方向、类型、温度和压力的单片质量流量传感器。热传感器(测量气体流速、方向和类型的传感器)被支撑在微机械介电窗上。压力传感器被支撑在第二微机械介电窗上。

[0006] Y.Xu等，“Mass flowmeter using a multi-sensor chip”，in Micro Electro Mechanical Systems，2000，The Thirteenth Annual International Conference on，2000，pp.541-546报告了一种使用多传感器芯片的质量流量计，其包括压力、温度和剪切应力传感器的一维阵列。压力和剪切应力传感器被放置在两个不同的膜上。

[0007] 在下列文献中也报告了在不同膜上具有压力感测元件和流量感测元件的类似芯片：Y.Xu等，“A MEMS multi-sensor chip for gas flow sensing”，Sensors and Actuators A：Physical，vol.121，pp.253-261，2005；D.Li等，“A monolithic piezoresistive pressure-flow sensor with integrated signal-conditioning circuit”，Sensors Journal，IEEE，vol.11，pp.2122-2128，2011，以及C.L.Roozeboom等，“Integrated multifunctional environmental sensors”，Microelectromechanical Systems，Journal of，vol.22，pp.779-793，2013.

[0008] 在E. 等，“An integrated pressure-flow sensor for correlation measurements in turbulent gas flows”，Sensors and Actuators A：Physical，vol.52，pp.51-58，1996中，压力感测元件和流量感测元件被放置在同一膜上。然而，为了热隔离这两个感测元件，使用不适合于高温操作的聚酰胺。此外，体蚀刻与前蚀刻相结合，使得装置的制造过程复杂化。

发明内容

[0009] 本发明的目的是提供一种微机械的CMOS单膜式流量压力传感器，其中压电元件、加热元件和温度感测元件嵌入同一膜内。

[0010] 流量和压力是相互关联的量。有趣的是，在任何流体的应用中，因为压力感测机制和流量感测机制基于不同的原理：压力是通过将机械位移转换为电信号来感测的，而流量是通过测量装置本身与环境之间的热交换的变化来感测的，所以压力传感器可以以这样的方式设计，即：提供与由热流量传感器提供的信息互补的信息。通常出于不同的原因希望在相同芯片上具有测量压力和流量的能力，例如：一个传感器可以用于补偿另一个传感器；所述两个传感器可以用于不同的测量范围；感测原理冗余可以提供改进的装置寿命；并且一个传感器可以用于定期重新校准另一个传感器。这通常通过在同一芯片上集成两个膜来实现：配置压力感测元件的第一膜和配置流量感测元件的第二膜。在本发明中，流量感测元件和压力感测元件位于同一膜内，从而显著减小了芯片尺寸并因此降低了成本。应当理解，术语“膜”或“膜区”是指在基板正上方的区域内的对应于基板的蚀刻部分的区域。

[0011] 各方面和优选特征在所附权利要求中阐述。

[0012] 我们在这里公开了一种基于CMOS的传感器，该传感器包括：包括蚀刻部分的基板；位于基板上的第一区，其中，第一区包括形成在基板的蚀刻部分的区域上方的膜区；形成在膜区内的流量传感器；以及形成在膜区内的压力传感器。

[0013] 起始基板可以是硅或绝缘体上硅(SOI)。然而，可以使用将硅与与最新技术的CMOS制造工艺兼容的另一种半导体材料结合的任何其他基板。采用CMOS制造工艺确保传感器生产的大批量、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工艺还支持芯片上电路，以提高传感器性能和便于系统集成。

[0014] 可以通过使用基板的深反应离子蚀刻(DRIE)的背蚀刻来形成膜区，这产生竖直侧壁并因此能够减小传感器尺寸并降低成本。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背蚀刻，这产生倾斜侧壁。膜区也可以通过正面蚀刻或正面蚀刻和背面蚀刻的组合形成，以产生仅由2个或更多个梁支撑的悬浮的膜结构。膜区可以是圆形的、矩形的或具有圆角的矩形的，但是其他形状也是可行的。

[0015] (介电)膜区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、以及在所述一个或更多个介电层上的钝化层。使用低热导率的材料(例如电介质)能够显著降低功耗，并增加膜内的温度梯度，这在传感器性能方面(例如灵敏度，频率响应，范围等)具有直接优势。

[0016] 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，或者可以位于膜的上方或下方，以设计膜的热机械特性(例如刚度、温度轮廓分布等)和/或流体与膜之间的流体动力学相互作用。更通常地，这些结构也可以在膜外部和/或是膜内部和外部之间的桥接。例如，可以使用金属迹线将流量传感器元件与压力传感器元件热隔离。

[0017] 形成在膜区内的流量传感器可以是热流量传感器。热流量传感器可以包括形成在介电膜内的p-n结型器件，其中p-n结型器件被配置成用作温度感测装置。热流量传感器的各方面和优选特征如下。

[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，并位于具有朝向基板的最高隔热的膜区中。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子装置，即晶体管。晶体管可以具有可访问的栅极或基极触点，或者可以使栅极/基极与另外两个端子中的一个短路。例如，基极与集电极短路的npn晶体管可以成为p-n二极管。更多的晶体管也可以以阵列形式放置。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装置。

[0020] p-n结型器件可以被配置成用作温度感测装置。测量基板/外壳/环境温度的参考p-n结型器件可以放置在膜区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，诸如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，流量传感器可以包括p-n结型器件，其中，p-n结型器件也可以同时用作加热元件以及温度感测装置。将电流注入到形成在介电膜内的p-n结型器件中导致局部温度升高。然后可以通过p-n结型器件本身测量p-n结型器件和流体之间的热交换，并且该热交换可以与流体的所述至少一种特性(例如速度、流速、施加的壁剪切应力、压力、温度、方向、热导率、扩散系数、密度、比热、运动粘度等)相关。感测这种流体特性可以实现流体辨别。例如，流量传感器可以感测流体是否为气体或液体形式，或者传感器可以区分不同的流体(例如，区分空气和CO2)，或者如果流体是混合物，则传感器可以测量混合比。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，流量传感器可以包括形成在介电膜内的加热元件，并且可以由钨制成。钨具有很强的抗电迁移性，并且允许高电流密度，从而可靠地到达超过600℃的温度。加热元件也可以由下列材料制成：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；或在最新技术的CMOS工艺中可利用的任何其他金属。加热元件可以设置有安培连接件和伏安连接件，以允许其电阻的4线式测量。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结型器件测量加热元件和流体之间的热交换，并且该热交换与流体的所述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放置在膜区中的具有最高温升的电阻加热元件的正下方，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结可以在正向偏压模式下操作，其中当在恒定正向电流下操作时，穿过二极管的正向电压随温度线性下降(对于硅，该斜率为-12mV/℃至2mV/℃)，或者p-n结可以在反向偏压模式下操作，其中泄漏与温度呈指数关系。由于正向电压模式的线性度和精度以及再现性，所以前一种方法是优选的方法。后一种方法具有更高的灵敏度，但是泄漏电流从一个装置到另一个装置或从一些装置到另一些装置的再现性较低。

[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。脉冲模式尤其具有降低的功耗、减少的电迁移以提高装置可靠性/寿命以及改善流体特性感测能力的优点。

[0025] 在一个实施例中，流量传感器可以包括用作温度感测元件的一个或更多个附加的热电堆。热电堆包括一个或更多个串联连接的热电偶。每个热电偶包括两种不同的材料，这两种不同的材料在膜的第一区处形成结，而这两种不同材料的另一端在膜的第二区处或在散热区(膜区外部的基板)中形成结，材料的另一端在该第二区处或在散热区处与相邻的热电偶或用于外部读取的焊盘电连接。

[0026] 热电偶材料可以包括金属，诸如铝、钨、钛或这些金属的组合或在最新技术的CMOS工艺中可利用的任何其他金属、掺杂的多晶硅(n或p型)或掺杂的单晶硅(n或p型)。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在它们之间形成结。

[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所需的，以充分地映射膜上的温度轮廓分布，从而实现特定的性能。

[0028] 在一个实施例中，流量传感器可以包括一个或更多个温度感测元件(p-n结型器件或热电偶)，并且一个或更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所需的，以充分产生温度轮廓和/或映射膜上的温度轮廓分布，从而实现特定性能，并且可以导致多方向性、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两者，或感测流速、流动方向和流体热导率，或感测流体特性的任何其他组合。

[0029] 另外地，温度感测元件和/或加热元件的冗余可以用于改善流量传感器的可靠性/寿命和/或用于完整性评估。例如，在仅第一温度感测元件用于流量感测的第一种情况下，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。在其中仅第一加热元件用于流量感测的第二种情况下，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] 形成在包括流量传感器的膜区内的压力传感器可以是机械压力传感器。机械压力传感器可以包括形成在介电膜内的至少一个压电元件，其中压电元件被配置成用作压力感测装置。下面描述机械压力传感器的各个方面和优选特征。

[0031] 形成在介电膜内的压电元件可以是压电电阻器、压电二极管、压电晶体管或具有电输出的任何其他装置，该电输出可以与膜在施加压力下的机械位移相关联。压电元件可以放置在膜的经受最大应力的区域中。压电元件相对于半导体基板晶体方向的方向可以是确保对应力的最大灵敏度的方向。压电元件的材料可以是在最新技术的CMOS工艺中可利用的任何材料；例如，其可以是金属，诸如铝、钨、钛，或者其可以是单晶硅(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)或单晶硅和多晶硅的任何组合。压电元件也可以由多个区段形成，或者以阵列形式放置，以便有效地占据膜的经受最大应力并最小化平均效果并因此改善应力灵敏度的区域。通常，类型、位置、方向、材料、数量、形状、尺寸可以是实现特定性能的任何选择。

[0032] 根据一个实施例，形成在介电膜内并且被配置成用作压力感测装置的压电元件也可以是更复杂的压力感测电路的一部分。例如，四个压电电阻器可以是全惠斯通电桥感测电路的一部分；或者压电二极管可以是应力敏感电压基准的一部分；或多个压电晶体管可以是差分放大器的一部分。许多其他替代方案也是可行的。

[0033] 在一个实施例中，附加的压电元件可以形成在介电膜外部并且被配置成用作温度补偿装置。附加的压电元件将具有仅取决于基板/外壳/环境温度的电输出，因为不在膜区内形成并因此在施加的压力下不承受机械应力。优选地，附加的压电元件与嵌入膜内的压电元件相同。附加的压电元件也可以是更复杂的温度补偿电路的一部分。例如，四个压电电阻器可以是全惠斯通电桥感测电路的一部分；或者压电二极管可以是电压基准、VPTAT或IPTAT的一部分；或者多个压电晶体管可以是差分放大器的一部分。许多其他替代方案也是可行的。温度补偿电路可以是压力感测电路的一部分。例如，全惠斯通电桥温度补偿电路的四个压电电阻器部分可以连接到全惠斯通电桥压力感测电路以形成双惠斯通电桥，该双惠斯通电桥具有提供仅与温度成比例的输出的第一对端子和提供与温度和压力两者都成比例的输出的第二对端子。在这种情况下，第一对端子和第二对端子的输出之间的差异将与压力成比例，而与基板/外壳/环境温度无关。

[0034] 根据一个实施例，流量传感器和压力传感器可以并联操作(即，流量传感器和压力传感器同时被操作/激活)或者可以串联操作(即，当流量传感器被操作/激活时，压力传感器不被操作/激活，反之亦然)。在流量传感器和压力传感器串联操作的情况下，并且在其中流量传感器激活且压力传感器未激活的阶段中，压力传感器的压电元件可以用作流量传感器的附加的温度感测元件。此外，在膜内嵌有一个以上的压电元件的情况下，用作激活的流量传感器的温度感测元件的压电元件还可以提供关于流动方向的信息。

[0035] 在一个实施例中，基板可以包括：一个以上的蚀刻部分；位于基板上的介电区，其中介电区包括在基板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，传感器可以设计成具有包含特征以感测流速和压力的第一膜区，以及包含特征以感测流动方向和压力的第二膜；或者具有包含特征以感测流速、流动方向和压力的第一膜，以及包含特征以感测流体热导率和压力的第二膜；或者具有包含特征以感测第一范围内的流速和压力的第一膜，以及包含特征以感测第二范围内的流速和压力的第二膜。流体特性的任何其他组合也是可行的。

[0036] 除了包含前述实施例中描述的特征的任何组合的所述至少一个膜之外，传感器还可以设计成具有仅包含流量感测特征或压力感测特征的一个或更多个附加膜。附加膜可以用于补偿目的，以改善传感器性能(例如灵敏度、范围、动态响应等)，从而增加传感器可靠性/寿命和/或用于完整性评估。

[0037] 在一个实施例中，模拟/数字电路集成在芯片上。电路可以包括IPTAT、VPTAT、放大器、开关、多路复用器、解复用器、模数转换器、存储器、RF通信电路、定时块、滤波器或用于驱动和读取加热元件、温度感测元件和压电元件或者用于电子操纵传感器信号或启用/禁用感测元件的任何其他装置。例如，已经证明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的加热元件将导致最新技术的流量传感器的显著进步。此外，被称为3ω的驱动方法可以通过芯片上装置实现，或者执行任何其他驱动方法(诸如恒定温度差和飞行时间)以实现特定性能(例如，功耗、灵敏度、动态响应、范围、流体特性检测等)。在没有芯片上电路的情况下，当应用于具有在任何前述实施例中描述的一个或更多个特征的传感器时，本发明还可以覆盖这种电路块的芯片外实现。这种芯片外实现可以在ASIC中或通过分立部件或两者的混合来完成。

[0038] 传感器可以封装在金属TO型封装件中、陶瓷、金属或塑料SMD(表面安装装置)封装件中。传感器也可以直接封装在PCB上，或者采用倒装芯片方式封装。传感器还可以嵌入基板中，诸如前面提到的封装件、刚性PCB、半刚性PCB、柔性PCB或任何其他基板中的一者的定制形式中，以使装置表面与基板表面齐平。装置膜可以用气体(例如空气、干燥空气、氩气、氮气、氙气或任何其他气体)或液体气密密封或半气密密封，以设计该装置的热机械特性。该装置也可以在真空中封装。封装也可以是芯片或晶片级封装，例如通过晶片键合形成的芯片或晶片级封装。

[0039] 传感器可以具有硅通孔(TSV)，以避免在装置的敏感区域附近存在可能影响流量读数的结合线。有利地，具有TSV的传感器可以实现3D堆叠技术。例如，传感器芯片可以位于ASIC的顶部上，从而减小了传感器系统的尺寸。

[0040] 流量传感器可以用于从智能能源(例如HVAC、大型家电、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、药物输送)的应用中和流体动力学研究(例如湍流测量、流动附接)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)，诸如锅炉、汽车、太空等。

[0041] 本文公开了一种制造基于CMOS的传感器的方法，该方法包括：在包括蚀刻部分的基板上形成至少一个膜；在所述至少一个膜内形成流量感测装置；以及在所述至少一个膜内形成压力感测装置。附图说明

[0042] 现在将仅通过示例并参照附图来描述本发明的一些优选实施例，其中：

[0043] 图1示出了SOI CMOS流量压力传感器的示意性截面图，该流量压力传感器具有嵌入通过深反应离子蚀刻来蚀刻从而产生竖直侧壁的基板的一部分(即膜区)内的二极管和两个压电元件；

[0044] 图2示出了CMOS流量传感器的示意性截面图，该流量传感器具有嵌入通过湿法蚀刻来蚀刻从而产生倾斜侧壁的基板的一部分(即膜)内或上方的二极管和两个压电元件；

[0045] 图3示出了嵌入圆形膜内的矩形二极管和两个矩形压电元件(在这种情况下为压电电阻器)的示意性俯视图；

[0046] 图4示出了嵌入方形膜内的圆形二极管和两个矩形压电元件(在这种情况下为压电二极管)的示意性俯视图；

[0047] 图5示出了CMOS流量压力传感器的示意性截面图，该流量压力传感器具有嵌入膜内的三个串联的二极管和两个压电元件；

[0048] 图6示出了CMOS流量压力传感器的示意性截面图，该流量压力传感器具有嵌入膜内的二极管和两个压电元件以及介电区内和上方的附加结构；

[0049] 图7示出了CMOS流量压力传感器芯片的示意性俯视图，该流量压力传感器芯片具有嵌入膜区的二极管和压电元件以及在基板上的参考二极管和参考压电元件；

[0050] 图8示出了SOI CMOS流量压力传感器的示意性截面图，该流量压力传感器具有嵌入膜内的加热元件和压电元件；

[0051] 图9示出了嵌入膜内的线型加热元件和压电元件的示意性俯视图；

[0052] 图10示出了CMOS流量压力传感器的示意性截面图，该流量压力传感器具有嵌入膜内的在加热元件下方的二极管以及热电偶和两个压电元件；

[0053] 图11示出了嵌入膜内的在加热元件下方的二极管以及在基板上的具有参考结的两个热电堆的示意性俯视图，其中四个压电元件也嵌入膜区内；

[0054] 图12示出了嵌入膜区内的在加热元件下方的二极管以及在膜区内的具有两个结的热电堆的示意性俯视图，其中四个压电元件也嵌入膜区内；

[0055] 图13示出了嵌入膜区内的在加热元件下方的二极管以及四个附加二极管和两个压电元件的示意性俯视图；

[0056] 图14示出了嵌入膜区内的多环型加热元件以及四个附加二极管和四个压电元件的示意性俯视图；

[0057] 图15示出了嵌入膜内的两个二极管的示意性俯视图，每个二极管均位于加热元件下方，其中四个压电元件也嵌入膜区内；

[0058] 图16示出了嵌入膜内的两个二极管阵列的示意性俯视图，每个二极管阵列以十字形布置位于加热元件下方，其中四个压电元件也嵌入膜内；

[0059] 图17示出了嵌入膜内的在加热元件下方的二极管以及四个附加热电堆的示意性俯视图，其中两个压电元件也嵌入膜内；

[0060] 图18示出了双膜CMOS流量压力传感器芯片的示意性截面图；

[0061] 图19示出了三膜CMOS流量压力传感器芯片的示意性俯视图；

[0062] 图20示出了三膜CMOS流量压力传感器芯片的示意性俯视图，该流量压力传感器芯片在基板上具有参考二极管；

[0063] 图21是实现使用二极管进行热反馈的恒温差驱动方法的电路的示例；

[0064] 图22是用于温度补偿压力测量的双惠斯通电桥电路的示例；

[0065] 图23是使用压电MOSFET作为压电元件的压敏差分放大器电路的示例；

[0066] 图24是可以整体集成在芯片上的电路块的示例；

[0067] 图25示出了CMOS流量传感器的示意性截面图，该流量传感器具有：嵌入膜内的二极管、加热元件和两个压电元件；集成在芯片上的电路；以及硅通孔(TSV)；

[0068] 图26是流量压力传感器的示例，该流量压力传感器3D堆叠在嵌入PCB内的ASIC上，其表面与PCB表面齐平；和

[0069] 图27示出了概述本说明书的传感器的制造方法的示例性流程图。

具体实施方式

[0070] 图1示出了SOI CMOS流量压力传感器的示意性截面图，该SOI CMOS流量压力传感器包括：基板1，该基板包括通过干法蚀刻获得并产生竖直侧壁的蚀刻部分；位于基板上的介电区，该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。位于基板上的介电区还包括在基板的蚀刻部分的区域上方的膜。在图1中，利用介电区内的两条虚线边界示出膜区。同样的限定适用于其余的附图。流量压力传感器还包括形成在介电膜内的p-n结型器件，其中，在该示例中，p-n结型器件是二极管并且包括p区5和n区6。二极管连接到用于外部访问的金属迹线7，并且被配置成用作温度感测装置。二极管还可以被配置成用作加热元件。流量压力传感器还包括压电元件8，该压电元件8被配置成用作压力感测装置。

[0071] 图2示出了CMOS流量压力传感器的示意性截面图，该CMOS流量压力传感器包括：基板1，该基板包括通过湿法蚀刻获得并且产生倾斜侧壁的蚀刻部分；位于基板上的介电区，该介电区包括第一介电层3和钝化层4。位于基板上的介电区还包括在基板的蚀刻部分的区域上方的膜区。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。二极管连接到用于外部访问的金属迹线7，并且被配置成用作温度感测装置。二极管还可以被配置成用作加热元件。流量压力传感器还包括压电元件8，该压电元件8被配置成用作压力感测装置。

[0072] 图3示出了矩形二极管的示意性俯视图，该矩形二极管包括嵌入圆形膜区9内的p区5和n区6。膜区9是在圆的周长内的整个区域。二极管连接到用于外部访问的金属迹线7，并且被配置成用作温度感测装置。二极管还可以被配置成用作加热元件。膜区9还包括矩形压电元件8，该矩形压电元件8被配置成用作压力感测装置。

[0073] 图4示出了圆形二极管的示意性俯视图，该圆形二极管包括嵌入方形膜9内的p区5和n区6。在该示例中，膜区9是在方形内的整个区域。二极管连接到用于外部访问的金属迹线7，并且被配置成用作温度感测装置。二极管还可以被配置成用作加热元件。膜区还包括矩形压电元件8，该矩形压电元件8被配置成用作压力感测装置。压电元件是压电二极管。

[0074] 图5示出了CMOS流量压力传感器的示意性截面图，该流量压力传感器包括：基板1，该基板包括通过干法蚀刻获得并产生竖直侧壁的蚀刻部分；位于基板上的介电区，该介电区包括第一介电层3和钝化层4。位于基板上的介电区还包括在基板的蚀刻部分的区域上方的膜区。流量压力传感器还包括形成在介电膜内的p-n结型器件，其中p-n结型器件是由三个串联的二极管形成的阵列，每个二极管包括p区5和n区6。二极管阵列连接到用于外部访问的金属迹线7，并且被配置成用作温度感测装置。二极管阵列还可以被配置成用作加热元件。流量压力传感器还包括压电元件8，该压电元件8被配置成用作压力感测装置。

[0075] 图6示出了CMOS流量压力传感器的示意性截面图，该流量压力传感器包括：基板1，该基板包括通过干法蚀刻获得并产生竖直侧壁的蚀刻部分；位于基板上的介电区，该介电区包括第一介电层3和钝化层4。位于基板上的介电区还包括在基板的蚀刻部分的区域上方的膜。流量压力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。二极管连接到用于外部访问的金属迹线7，并且被配置成用作温度感测装置。二极管还可以被配置成用作加热元件。流量压力传感器还包括压电元件8，该压电元件8被配置成用作压力感测装置。流量压力传感器还包括位于基板上的介电区内和该介电区上方的附加结构10，以设计介电区的热机械特性(例如刚度、温度轮廓分布等)和/或流体和介电区之间的流体动力学相互作用。

[0076] 图7示出了包括矩形二极管的流量传感器芯片11的示意性俯视图，该矩形二极管包括嵌入圆形膜9内的p区5和n区6。二极管连接到用于外部访问的金属迹线7，并且被配置成用作温度感测装置。二极管还可以被配置成用作加热元件。该膜还包括矩形压电元件8，该矩形压电元件8被配置成用作压力感测装置。流量压力传感器芯片11还包括位于膜9外部的参考p-n结型器件12和参考压电元件13。参考p-n结型器件12和参考压电元件13可以用于测量基板/外壳/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，诸如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)。此外，任何压电元件也可以是更复杂的压力感测电路的一部分，诸如惠斯通电桥(Wheatstone bridge)。

[0077] 图8示出了SOI CMOS流量压力传感器的示意性截面图，该流量压力传感器包括：基板1，该基板包括通过干法蚀刻获得并产生竖直侧壁的蚀刻部分；位于基板上的介电区，该介电区包括第一介电层2(在SOI工艺中，这通常称为埋氧化物层，BOX)、第二介电层3和钝化层4。位于基板上的介电区还包括在基板的蚀刻部分的区域上方的膜区。流量压力传感器还包括形成在介电膜内的电阻器14，其中电阻器被配置成用作加热元件。流量压力传感器还包括压电元件8，该压电元件8被配置成用作压力感测装置。

[0078] 图9示出了嵌入圆形膜9内的线型电阻器14的示意性俯视图，其中电阻器被配置成用作加热元件。电阻器14连接到用于外部访问的金属迹线，其中迹线被配置成允许电阻器14电阻的4线式测量并且包括安培迹线15和伏安迹线16。膜9还包括矩形压电元件8，该矩形压电元件被配置成用作压力感测装置。

[0079] 图10示出了CMOS流量压力传感器的示意性截面图，该CMOS流量压力传感器包括：基板1，该基板包括通过干法蚀刻获得并产生竖直侧壁的蚀刻部分；位于基板上的介电区，该介电区包括第一介电层3和钝化层4。位于基板上的介电区还包括在基板的蚀刻部分的区域上方的膜。流量压力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。二极管被配置成用作温度感测装置。流量压力传感器还包括形成在介电膜区内的电阻器14，其中电阻器被配置成用作加热元件。流量压力传感器还包括用作附加温度感测元件的热电堆17和18。热电堆包括一个或更多个串联连接的热电偶。
每个热电偶包括两种不同的材料，这两种不同的材料在膜的第一区处形成结，而材料的另一端在散热区(膜区外部的基板)中形成结，该另一端在该散热区处与相邻的热电偶或与用于外部读取的焊盘电连接。流量压力传感器还包括压电元件8，该压电元件8被配置成用作压力感测装置并且连接到用于外部访问的金属迹线7。

[0080] 图11示出了矩形二极管的示意性俯视图，该矩形二极管包括嵌入圆形膜9内的p区5和n区6。二极管连接到用于外部访问的金属迹线7，并且被配置成用作温度感测装置。膜9还包括电阻器14，其中电阻器被配置成用作加热元件。电阻器14连接到用于外部访问的金属迹线15。膜9还包括用作附加温度感测元件的热电堆。热电堆包括一个或更多个串联连接的热电偶。每个热电偶包括两种不同的材料19和20，这两种不同的材料19和20在膜的第一区处形成结21，而材料的另一端在散热区(膜区外部的基板)中形成结22，该另一端在散热区处与相邻的热电偶或与用于外部读取的焊盘电连接。膜9还包括矩形压电元件8，该矩形压电元件8被配置成用作压力感测装置。

[0081] 图12示出了矩形二极管的示意性俯视图，该矩形二极管包括嵌入圆形膜9内的p区5和n区6。二极管连接到用于外部访问的金属迹线7，并且被配置成用作温度感测装置。膜9还包括电阻器14，其中电阻器被配置成用作加热元件。电阻器14连接到用于外部访问的金属迹线15。膜9还包括用作附加温度感测元件的热电堆。热电堆包括一个或更多个串联连接的热电偶。每个热电偶包括两种不同的材料19和20，这两种不同的材料19和20在膜的第一区处形成结21，而材料19和20的另一端在膜的第二区处形成结22，该另一端在该第二区处与相邻的热电偶或与用于外部读取的焊盘电连接。膜9还包括矩形压电元件8，该矩形压电元件8被配置成用作压力感测装置。

[0082] 图13示出了矩形二极管的示意性俯视图，该矩形二极管包括嵌入具有圆角的矩形膜9内的p区5和n区6。二极管连接到用于外部访问的金属迹线7，并且被配置成用作温度感测装置。膜9还包括电阻器14，其中电阻器被配置成用作加热元件。电阻器14连接到用于外部访问的金属迹线15。该膜还包括形成在膜9内的附加p-n结型器件，其中p-n结型器件是被配置成用作附加温度感测装置的二极管。膜9还包括矩形压电元件8，该矩形压电元件8被配置成用作压力感测装置。

[0083] 图14示出了四个二极管的示意性俯视图，每个二极管包括嵌入圆形膜9内的p区5和n区6。二极管连接到用于外部访问的金属迹线7，并且被配置成用作温度感测装置。膜9还包括多环型电阻器14，其中该电阻器被配置成用作加热元件。电阻器14连接到用于外部访问的金属迹线15。膜9还包括矩形压电元件8，该矩形压电元件被配置成用作压力感测装置。

[0084] 图15示出了两个矩形二极管的示意性俯视图，每个二极管包括嵌入具有圆角的矩形膜9内的p区5和n区6。二极管连接到用于外部访问的金属迹线7，并且被配置成用作温度感测装置。膜9还包括两个电阻器14，其中这两个电阻器被配置成用作加热元件。电阻器14连接到用于外部访问的金属迹线15。膜9还包括矩形压电元件8，该矩形压电元件被配置成用作压力感测装置。

[0085] 图16示出了两个二极管阵列的示意性俯视图，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十字形布置嵌入圆形膜9内的p区5和n区6。二极管连接到用于外部访问的金属迹线7，并且被配置成用作温度感测装置。膜9还包括呈十字形布置的两个电阻器14，其中这两个电阻器被配置成用作加热元件。电阻器14连接到用于外部访问的金属迹线15。膜9还包括矩形压电元件8，该矩形压电元件8被配置成用作压力感测装置。

[0086] 图17示出了矩形二极管的示意性俯视图，该矩形二极管包括嵌入具有圆角的矩形膜9内的p区5和n区6。二极管连接到用于外部访问的金属迹线7，并且被配置成用作温度感测装置。膜9还包括电阻器14，其中该电阻器配置成用作加热元件。电阻器14连接到用于外部访问的金属迹线15。膜区还包括用作附加温度感测元件的热电堆。热电堆包括一个或更多个串联连接的热电偶。每个热电偶包括两种不同的材料19和20，这两种不同的材料19和20在膜的第一区处形成结21，而材料19和20的另一端在膜的第二区处形成结22，该另一端在该第二区处与相邻的热电偶或与用于外部读取的焊盘电连接。膜9还包括矩形压电元件
8，该矩形压电元件被配置成用作压力感测装置。

[0087] 图18示出了SOI CMOS流量压力传感器的示意性截面图，该流量压力传感器包括：基板1，该基板包括通过干法蚀刻获得并产生竖直侧壁的两个蚀刻部分；位于基板上的介电区，该介电区包括第一介电层2、第二介电层3和钝化层4。位于基板上的介电区还包括在基板的蚀刻部分的区域上方的两个膜。流量压力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。二极管被配置成用作温度感测装置。流量压力传感器还包括形成在第一介电膜内的电阻器14，其中该电阻器配置成用作加热元件。流量压力传感器还包括形成在第二介电膜内的电阻器，其中该电阻器被配置成用作加热元件。流量压力传感器还包括形成在第一膜和第二膜内的压电元件8，其中压电元件是被配置成用作压力感测装置的压电电阻器。

[0088] 图19示出了三膜CMOS流量压力感测芯片23的示意性俯视图。芯片23包括第一矩形二极管，该第一矩形二极管包括嵌入具有圆角的第一方形膜9内的p区5和n区6。二极管连接到用于外部访问的金属迹线7，并且被配置成用作温度感测装置。膜9还包括电阻器14，其中该电阻器被配置成用作加热元件。电阻器14连接到用于外部访问的金属迹线15。膜9还包括形成在膜9内的压电元件8，其中压电元件是被配置成用作压力感测装置的压电电阻器。芯片23还包括嵌入具有圆角的第二方形膜24内的第二电阻器，该第二电阻器被配置成用作加热元件。膜24还包括形成在第二膜24内的压电元件8，其中压电元件是被配置成用作压力感测装置的压电电阻器。芯片23还包括嵌入具有圆角的第三方形膜25内的第三电阻器，该第三电阻器被配置成用作加热元件。膜25还包括形成在第三膜25内的压电元件，其中压电元件是被配置成用作压力感测装置的压电电阻器。

[0089] 图20示出了三膜CMOS流量压力感测芯片23的示意性俯视图。芯片23包括第一矩形二极管，该第一矩形二极管包括嵌入具有圆角的第一方形膜9内的p区5和n区6。二极管连接到用于外部访问的金属迹线7，并且被配置成用作温度感测装置。膜9还包括线型电阻器14，其中该电阻器被配置成用作加热元件。电阻器14连接到用于外部访问的金属迹线15。膜9还包括形成在膜9内的压电元件8，其中压电元件是被配置成用作压力感测装置的压电电阻器。芯片23还包括嵌入第二圆形膜24内的第二电阻器(多环型)，该第二电阻器被配置成用作加热元件。膜24还包括形成在第二膜24内的p-n结型器件，其中p-n结型器件是被配置成用作温度感测装置的二极管。芯片23还包括第三方形膜25，该第三方形膜25包括形成在第三膜25内的压电元件，其中压电元件是被配置成用作压力感测装置压电电阻器。芯片23还包括在膜9、24和25外部的参考p-n结型器件12。参考p-n结型器件12可以是二极管并用于测量基板/外壳/环境温度以用于补偿目的。

[0090] 图21是使用二极管Dh和二极管Da实现恒温差驱动方法的电路的示例，该二极管Dh利用电流发生器IDh驱动以获得加热电阻器Rh的温度的热反馈，二极管Da利用电流发生器IDa驱动以获得基板/外壳/环境的热反馈以用于补偿目的。通过信号V控制设定加热电阻器Rh的操作温度。利用晶体管T控制电阻器Rh中的电流，晶体管的栅极由放大器A2的输出信号控制。该电路可以整体集成在传感器芯片上。

[0091] 图22是用于从压电元件读取的电路的示例，其中压电元件是压电电阻器。形成第一惠斯通电桥，以连接嵌入膜内的压电电阻器，并形成第二惠斯通电桥，以连接膜区外部的压电电阻器。第一电桥和第二电桥共享电源电压和地线。第一输出V1将是温度和压力两者的函数。第二输出V2＝Vb-Va将仅是温度的函数。通过耦合第一输出V1和第二输出V2，可以获得温度补偿信号。该电路可以整体集成在传感器芯片上。

[0092] 图23是用于从压电元件读取的电路的示例，其中压电元件是压电晶体管。压电晶体管Q1、Q2、Q3和Q4嵌入膜内并连接以形成差分放大器。输出Vout将是压力的函数。该电路可以整体集成在传感器芯片上。

[0093] 图24是可以整体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，该驱动电路块用于驱动加热元件和/或感测元件；基板/外壳/环境温度感测电路块，该感测电路块可以用作驱动电路块的输入，如图21、图22和图23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，该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，该模数转换器允许感测结构输出的数字处理、存储和通信。电路块还可以接收来自外界的数据，从而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，诸如多路复用器和解复用器，以在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。

[0094] 图25示出了CMOS流量压力传感器的示意性截面图，该流量压力传感器包括：基板1，该基板包括通过干法蚀刻获得并产生竖直侧壁的蚀刻部分；位于基板上的介电区，该介电区包括第一介电层3和钝化层4。位于基板上的介电区还包括在基板的蚀刻部分的区域上方的膜。流量压力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，该二极管包括p区5和n区6，并且被配置成用作温度感测装置。流量压力传感器还包括电阻器14，其中该电阻器被配置成用作加热元件。流量压力传感器还包括一些整体集成的电子装置，这里以MOSFET 26为例。流量传感器还可以包括硅通孔(TSV)27，从而避免存在可能影响装置表面上的流的结合线。

[0095] 图26是流量传感器的示例，该流量传感器3D堆叠在嵌入PCB 28内的ASIC上，其表面与PCB表面齐平。

[0096] 图27示出了概述本说明书的传感器的制造方法的示例性流程图。

[0097] 本领域技术人员将理解，在前面的描述和所附权利要求中，诸如“上方”、“重叠”、“下方”、“侧向”等的位置术语是参考装置的概念性图示而做出的，诸如示出了标准截面立体图的位置术语和附图中所示的位置术语。使用这些术语以便于参考，但不是限制性的。因此，这些术语应理解为指的是当处于如附图所示的取向时的装置。

[0098] 应当理解，上述所有掺杂极性可以颠倒，所得到的装置仍然是根据本发明的实施例的装置。

[0099] 尽管已经根据如上所述的优选实施例描述了本发明，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那些实施例。鉴于本公开内容，本领域技术人员将能够进行修改和替换，这些修改和替换被视为落入所附权利要求的范围内。本说明书中公开或说明的每个特征可以结合在本发明中，无论是单独的还是与本文公开或说明的任何其他特征的任何适当组合。

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