專利名稱：具有膜片的傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及按照獨(dú)立權(quán)利要求類型的具有膜片的傳感器。在專利WO89/05963中發(fā)表過一種具有膜片的傳感器，其中的膜片是由多層介電層構(gòu)成的。在膜片上設(shè)有用來對(duì)膜片進(jìn)行加熱和測(cè)量膜片溫度用的薄膜電阻元件。膜片是由多層構(gòu)成的，后者是根據(jù)其熱膨脹系數(shù)這樣選定的要將其調(diào)節(jié)到對(duì)硅支架具有輕度的拉應(yīng)力。在膜片和電阻元件的上表面上包覆同樣是用一種介電材料制成的覆蓋層。
具有非從屬性的專利權(quán)利要求特征的、按照本發(fā)明的傳感器較比上述傳感器優(yōu)越之處在于通過一層具有同樣輕度拉應(yīng)力的覆蓋層，可以改善膜片的穩(wěn)定性。
通過采用從屬性權(quán)利要求所列舉的措施，可能有利于按照非從屬性專利權(quán)利要求對(duì)傳感器進(jìn)行改造和改進(jìn)。通過覆蓋層的多層結(jié)構(gòu)可以改善對(duì)拉應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)的可能性。另外，由于是多層結(jié)構(gòu)，所以能夠改善對(duì)于覆蓋層的各種不同的要求，特別是改善對(duì)于覆蓋層的粘結(jié)性和密封性方面的要求。通過使用略有硅余量的第一分層就能夠使其對(duì)于用薄膜制成的電阻元件的粘結(jié)性達(dá)到特別好的程度。通過在其表面上沉積一層化學(xué)計(jì)量的氧化硅層就使其具有特別好的防潮性。另外，還可以用氧化硅制成的覆蓋層作為第一分層，再采用氧化硅或氮化硅、或者再配合拉應(yīng)力作為上面的第二分層。最為有利的是一種對(duì)稱型的結(jié)構(gòu)；采用這種結(jié)構(gòu)，使膜片的拉應(yīng)力和覆蓋層的拉應(yīng)力大致相等，從而降低各層之間的拉應(yīng)力梯度，防止層間剝落。各層彼此之間還能夠不斷互相遷移。
本發(fā)明的實(shí)施例如

圖1中所示，借此對(duì)以下的說明作詳細(xì)解釋。圖1所示是具有膜片的傳感器的俯視圖；圖2是的橫剖面圖；圖3及4是膜片和覆蓋層的逐層順序詳圖。
圖1和圖2是以物料流量計(jì)為例的俯視圖和橫剖面圖。物料流量計(jì)1備有一個(gè)用單晶硅制成的支架2；在支架上張?jiān)O(shè)一片膜片3。在膜片3上配置一片加熱片4，在加熱片的兩旁分別配置一個(gè)測(cè)溫元件5。通過一條導(dǎo)電帶6將加熱片4和兩個(gè)測(cè)溫元件5連接在接電區(qū)7。由圖2的橫剖面圖可見，膜片3是由膜片層10構(gòu)成的。然后在膜片層上配置加熱片4和測(cè)溫元件5。在膜片層10、加熱片4和測(cè)溫元件5的上表面上包覆一層覆蓋層20。
硅支架2一般采用單晶硅制造。支架2是采用單晶硅片利用各向異性刻蝕法刻蝕制成的。采用這種辦法制成如示意圖2所示特征的側(cè)面斜壁。這道刻蝕步驟雖然可在包覆膜片層10之后的任何一道工序中進(jìn)行，但最好還是在最后一道工序進(jìn)行。當(dāng)膜片層10在硅基片上沉積成型之后，即可其上面配置做加熱片4和測(cè)溫元件5用的薄層。這是一層用金屬，例如鉑或與其類似的金屬制成的典型的薄層。在加工成型的過程中，就從這層金屬層中經(jīng)過成型加工形成用來做加熱片4和測(cè)溫元件5用的電阻元件。在此以后，從薄膜層中加工形成導(dǎo)電帶6和接電區(qū)7。在此以后的一道工序中，再包覆一層覆蓋層20。
通過向加熱片4的電阻元件饋電，膜片3即被加熱。當(dāng)有空氣氣流流過時(shí)，膜片根據(jù)氣流的強(qiáng)度被冷卻。測(cè)溫元件5的電阻元件的電阻值隨溫度而改變。通過檢測(cè)測(cè)溫元件5的電阻值即可測(cè)出膜片3的冷卻程度，轉(zhuǎn)而換算出流過氣流的強(qiáng)度。
為了保證傳感器長(zhǎng)期耐用，必須對(duì)膜片3的拉應(yīng)力狀態(tài)加以控制。由于膜片所承受的強(qiáng)溫度負(fù)荷，還必須為此重視所用材料的熱膨脹系數(shù)。膜片層10和覆蓋層20一般是用介電材料制成的；電阻元件4和5是用金屬制成的。這些材料的熱膨脹系數(shù)與支架2的硅的有明顯差異。由WO 89/05963中可見，膜片層10是由兩層分層構(gòu)成的。其中一層的熱膨脹系數(shù)大于硅(氧化硅)的膨脹系數(shù)；而另一種材料的膨脹系數(shù)小于硅(氧化硅)的膨脹系數(shù)。通過這樣的兩層結(jié)構(gòu)，使膜片10的熱膨脹系數(shù)與硅支架的熱膨脹系數(shù)相適配。但是在采用這種做法時(shí)，并未考慮到覆蓋層20。
圖3所示是按照本發(fā)明的膜片3包覆加熱片4的結(jié)構(gòu)的橫剖面圖。此處的膜片10是由三層分層組成的；特別是一層氧化硅層11，一層覆蓋在其上面的氮化硅層12，以及覆蓋在氮化硅層12上面的氧化硅層13。第一層氧化硅層11是采用慣用的方法，特別是硅的熱氧化法或氧化硅層沉積法制成的。在其上面再采用沉積這類覆層的普通方法(化學(xué)沉積法或等離子支持化學(xué)沉積法)制成氮化硅層12。在氮化硅層12上面配置的另一層氧化硅層13是采用再氧化法，即通過使氮化硅層12上面的一薄層發(fā)生轉(zhuǎn)化形成的。這是在高溫下用水蒸氣或氧氣作用在氮化硅表面上形成的。這種再氧化生成的氧化硅層13的優(yōu)點(diǎn)在于它對(duì)敷設(shè)在其下面的氮化硅層12有很強(qiáng)的粘接能力，并能對(duì)配置在其上面的、用來形成加熱片4的電阻元件的金屬膜的粘接能力有明顯的改善。關(guān)于11、12、13各層的厚度和在其內(nèi)部的拉應(yīng)力狀態(tài)的設(shè)計(jì)方式是這樣選定的即要使總共10層的膜片對(duì)支架2的硅產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)的輕度拉應(yīng)力。當(dāng)電阻元件的配置和成型完畢之后，就再包覆由第一層覆蓋層21和另一層覆蓋層22構(gòu)成的兩層的覆蓋層。第一層覆蓋層21主要是由氧化硅構(gòu)成的；因?yàn)檫@種材料不論對(duì)于經(jīng)過再氧化的氮化硅層13、還是對(duì)于電阻元件4、5和導(dǎo)電帶6的金屬都具有優(yōu)越的粘接能力。然后在這種用氧化硅制成的覆蓋層21上面再形成一層第二層覆蓋層22。這兩層21和22的熱膨脹系數(shù)也是這樣設(shè)計(jì)的要使其對(duì)于支架2產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)的輕度拉應(yīng)力。當(dāng)覆蓋層20的輕度拉應(yīng)力完全和膜片層10的輕度拉應(yīng)力相對(duì)應(yīng)的時(shí)候特別有利。但是，出于制造公差方面的原因，這種對(duì)應(yīng)決不會(huì)達(dá)到100％。然而，當(dāng)在覆蓋層20中的拉應(yīng)力和在膜片層10中的拉應(yīng)力大約有同樣大小的時(shí)候，還是能夠有希望達(dá)到一個(gè)理想的最高值的。通過覆蓋層20的成型，使其產(chǎn)生同樣的輕度拉應(yīng)力，就能保證在膜片3中產(chǎn)生的機(jī)械拉應(yīng)力達(dá)到最小程度。這樣就能使覆蓋層20對(duì)于膜片層10或電阻元件4、5具有良好的粘接能力。另外，如果能夠使電阻元件4、5不受機(jī)械拉應(yīng)力的作用，同樣也能夠改善其對(duì)于膜片10的粘接能力。除此之外，電阻元件中的電阻值還取決于電阻層中的機(jī)械拉應(yīng)力狀態(tài)；所以，通過將覆蓋層調(diào)整到具有輕度的拉應(yīng)力，就能改善其對(duì)電阻元件4、5的電阻值的控制。另外，根據(jù)已知，由于受拉應(yīng)力的影響，會(huì)促使污染物質(zhì)向金屬中的滲透。然而本發(fā)明卻能防止或者減輕這種效應(yīng)的影響。
作為第一及第二層覆蓋層21和22的材料使用的主要仍舊是氮化硅和氧化硅。有可能采用的層順序，例如，可以按以下所述利用稍有硅余量的氧化硅層構(gòu)成第一層覆蓋層21。這樣的氧化硅層具有拉應(yīng)力，并且由于有余量的硅的存在而會(huì)對(duì)金屬層有卓越的粘接能力。另外還發(fā)現(xiàn)，由于在這樣的第一層覆蓋層21中存在微少的硅余量，使其對(duì)于金屬電阻元件的、特別是對(duì)于用鉑做的金屬電阻元件的電阻系數(shù)的穩(wěn)定性有正面的影響。為了對(duì)這樣用稍有硅余量的氧化硅層做成的第一層覆蓋層的拉應(yīng)力加以補(bǔ)償，還要再沉積一層化學(xué)計(jì)量的氧化硅層作為第二層覆蓋層22。這樣的一層化學(xué)計(jì)量的氧化硅層具有壓應(yīng)力。層的厚度是這樣選定的要使由第一層覆蓋層21和第二層覆蓋層22構(gòu)成的覆蓋層20總體上產(chǎn)生輕度的拉應(yīng)力。經(jīng)驗(yàn)證明，這樣的化學(xué)計(jì)量的氧化硅層另外還具有防潮性；因此，通過這兩層的覆蓋層不但能夠?qū)?yīng)力狀態(tài)調(diào)整到所希望的輕度拉應(yīng)力，還能夠起到卓越的隔濕作用。按照本發(fā)明的覆蓋層20的另一個(gè)實(shí)施例在于第一層覆蓋層21是經(jīng)過沉積成型制成的具有壓應(yīng)力的一層氧化硅層，特別是化學(xué)計(jì)量的氧化硅層。第二層覆蓋層22是再此之后在采用氧化硅制成的這種有壓應(yīng)力的第一層覆蓋層21的上表面上沉積一層有拉應(yīng)力的覆蓋層22。在這種情況下，適合于采用具有拉應(yīng)力的氮化硅、氧化硅或者是這兩種的混合物制造第二層覆蓋層22。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氮化硅同樣也有卓越的防潮性，并且能夠保證電阻元件的長(zhǎng)期穩(wěn)定。
圖4所示是本發(fā)明中具有單層覆蓋層20的另一個(gè)實(shí)施例。在圖4中，繪出標(biāo)有11、12、13標(biāo)號(hào)以及其他與圖3中相同的元件。單層覆蓋層20的做法是不但要使其具有輕度的拉應(yīng)力，而且要對(duì)再氧化層13和金屬4仍然有良好的粘接能力。相對(duì)覆蓋在其下方的層13和4而言，采用氧化硅做的層20所含的硅的成分較高，所以形成了拉應(yīng)力。隨著厚度的增加，過量的硅不斷向化學(xué)計(jì)量的氧化硅層的方向轉(zhuǎn)變，從而形成壓應(yīng)力。應(yīng)力狀態(tài)的梯度可以在沉積過程中通過改變適當(dāng)?shù)牡入x子參數(shù)實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1．用硅制成的傳感器(1)，特別是一個(gè)物料流量傳感器，有一個(gè)膜片(3)，裝在支架(2)上，其中的膜片(3)是由介電層(10,20)構(gòu)成的，在膜片(3)上至少設(shè)有一個(gè)用金屬薄膜制成的電阻元件(4,5)，其中有一層覆蓋在一個(gè)電阻元件(4,5)以及膜片(3)的上表面上的覆蓋層(20)，膜片(3)的介電層如此構(gòu)成調(diào)節(jié)產(chǎn)生輕度的拉應(yīng)力，其特征在于要使覆蓋層(20)也有輕度的拉應(yīng)力。
2．如權(quán)利要求1的傳感器，其特征在于覆蓋層(20)是由多層分層(21,22)構(gòu)成的，第一層分層是至少在一個(gè)電阻元件(4,5)和膜片的上表面(3)上主要用氧化硅制成的，在第一分層(21)的上面制成第二分層(22)，并將第一和第二分層(21,22)各自的應(yīng)力增加到輕度的拉應(yīng)力。
3．如權(quán)利要求2的傳感器，其特征在于第一分層(21)是用稍有余量的氧化硅并有拉應(yīng)力制成的，在其上面的第二分層(22)是主要用化學(xué)計(jì)量的氧化硅層并有壓應(yīng)力制成的。
4．如權(quán)利要求2的傳感器，其特征在于采用具有壓應(yīng)力的氧化硅層作為第一分層(21)；在其上面用氧化硅、氮化硅或者用氧化硅和氮化硅的復(fù)合材料沉積成具有拉應(yīng)力的第二分層(22)。
5．如上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)的傳感器，其特征在于膜片層(10)中的拉應(yīng)力和覆蓋層(20)中的拉應(yīng)力大致有同樣的大小。
6．如權(quán)利要求1中的傳感器，其特征在于覆蓋層(20)主要是用氧化硅制成的，在氧化硅中的過量硅不斷隨覆蓋層(20)的厚度改變。
7．如權(quán)利要求7中的傳感器，其特征在于在界面處的氧化硅中的余量硅至少在一個(gè)電阻元件(4,5)和膜片上表面(3)處為最大。
全文摘要
一種具有膜片的傳感器,在膜片上至少設(shè)置一個(gè)電阻元件(4)。膜片是用膜片層(10)制成的。后者由多層分層(11、12、13)構(gòu)成。另外還有一個(gè)由多層分層(21、22)構(gòu)成的覆蓋層。膜片和覆蓋層的各分層是這樣選定的,既不論是膜片還是覆蓋層都要將其調(diào)節(jié)到具有輕度的拉應(yīng)力,最好是調(diào)節(jié)成具有大小大致相等的輕度拉應(yīng)力。
文檔編號(hào)H01L29/66GK1215833SQ98119428
公開日1999年5月5日 申請(qǐng)日期1998年10月5日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月7日
發(fā)明者C·特羅伊特勒, W·米勒, H·戈貝爾, S·施米德特, H·維伯, K·赫耶爾斯, H·F·科伯, W·斯泰納 申請(qǐng)人:羅伯特-博希股份公司