本發(fā)明涉及集成電路，尤其涉及一種集成接口電路的微流量傳感器及其無光刻制造方法。

背景技術(shù)：

1、流量傳感器廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、工業(yè)控制、航天探測等關(guān)系國計民生的重要領(lǐng)域。隨著智能建筑、智慧城市、精準(zhǔn)醫(yī)療等新興領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，用于流量監(jiān)測的傳感器性能要求日益提高。例如，在智能建筑中，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能型的個性化通風(fēng)與熱舒適度控制，流量傳感器需精準(zhǔn)探測-2m/s至2m/s的室內(nèi)低速流，并實(shí)現(xiàn)0.05m/s以下的極低流速測量。在智慧城市中，供氣和供暖系統(tǒng)的采集、運(yùn)輸和分配過程中需要數(shù)百萬個流量傳感器，這就要求傳感器不僅具備高精度，還需要低成本以滿足大規(guī)模節(jié)點(diǎn)部署的需求。在精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域，呼吸機(jī)作為關(guān)鍵設(shè)備，需配有高性能的核心流量傳感器部件來協(xié)助臨床診療決策，如低流量吸氧、微流量麻醉等。此外，人體正常呼吸鼻下最大氣流速度約為4m/s，相連呼吸管道內(nèi)傳感器需探測4m/s甚至0.1m/s以下的極低氣體流速以辨識呼吸不足或呼吸暫停等高危情況。鑒于此，研制低成本、高靈敏度、以及滿足極低氣體流速測量的傳感器，成為智能建筑、智慧城市、精準(zhǔn)醫(yī)療等物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的迫切需求。

2、傳統(tǒng)差壓式、渦輪式、及卡門渦街型等流量傳感器因體積大、成本高、功耗高、流場干擾強(qiáng)等缺點(diǎn)，無法滿足低功耗、極低流速測量、以及大規(guī)模傳感節(jié)點(diǎn)部署的應(yīng)用需求。近年來，隨著cmos和mems技術(shù)的快速發(fā)展，cmos-mems流量傳感器作為一種高性能、低功耗和高集成度的新型傳感器逐漸引起了人們的關(guān)注。其中，量熱式(熱溫差式)流量傳感器通過探測微加熱器兩側(cè)溫差來測量流速。得益于對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計，傳感器的溫差輸出僅與芯片表面的對流換熱有關(guān)，從而能夠抵消其他傳熱因素的影響，顯著提高了靈敏度。此外，基于量熱原理的傳感器無需可動微機(jī)械部件，結(jié)構(gòu)簡單，易于在cmos工藝中實(shí)現(xiàn)集成制造，為開發(fā)能夠檢測低速乃至毫米每秒級超低速雙向氣流的集成傳感器提供了新的方向。

3、近年來，基于cmos-mems集成的微流量傳感器研究取得了長足的進(jìn)步。荷蘭代爾夫特理工大學(xué)研究人員提出了一個單片集成的cmos流速傳感器。然而，該傳感器的微加熱器與熱敏元件被直接制作在硅基上，器件靈敏度偏低、功耗偏大。東南大學(xué)研究團(tuán)隊通過標(biāo)準(zhǔn)cmos工藝與mems硅刻蝕實(shí)現(xiàn)了具有深槽隔熱結(jié)構(gòu)的風(fēng)速傳感器，減少了硅基橫向傳熱，提高了靈敏度并可準(zhǔn)確測量低至0.5m/s的風(fēng)速。為了提高低流速測量能力，xu等人基于invensense?cmos-mems工藝提出了一種懸空微結(jié)構(gòu)、接口電路、微通道晶圓級三維集成的流量傳感器，通過加強(qiáng)微通道內(nèi)懸空結(jié)構(gòu)兩側(cè)流體的對流換熱，提高了傳感器靈敏度，實(shí)現(xiàn)了低至0.4m/s(0.75sccm)以下的氣體流速測量。近期，英國劍橋大學(xué)luca等人通過絕緣體上硅cmos-mems工藝研制了一種懸浮圓盤隔熱結(jié)構(gòu)的單片集成流速傳感器，但由于隔熱結(jié)構(gòu)較厚(約5μm)，其功耗較高(約13mw)，傳感器靈敏度提升相對有限。

4、以上研究表明，采用隔熱設(shè)計是提高傳感器靈敏度和改善極低流速測量能力的重要途徑。然而，現(xiàn)有用于集成傳感器制造的主流深亞微米cmos工藝，其硅基上薄層總厚度大于8μm。即使通過硅刻蝕實(shí)現(xiàn)傳感結(jié)構(gòu)的隔熱處理，較厚的微結(jié)構(gòu)仍然限制了傳感器靈敏度的提升。同時，通過cmos芯片上光刻與多步刻蝕實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)減薄釋放的post-cmos工藝方案，加工過程復(fù)雜性高。因此，為簡化微流量傳感器的單片集成化制造，有必要研究一種無光刻的post-cmos加工方法，實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)一步刻蝕成型與減薄釋放。另一方面，高性能mems微流量傳感器在實(shí)際應(yīng)用中需要與驅(qū)動和檢測電路協(xié)同工作，以實(shí)現(xiàn)加熱溫度控制、微弱信號放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能。顯然，這種集成傳感器的敏感測量過程涉及流體力學(xué)、熱力學(xué)和電學(xué)等多能域的轉(zhuǎn)換與耦合，其整體性能的優(yōu)化依賴于mems傳感結(jié)構(gòu)與as?ic接口電路參數(shù)的精確化設(shè)計。因此，有必要為mems傳感器設(shè)計一個專屬的高精密cmos接口電路，為低噪聲、高靈敏度和超低檢測極限的集成流量傳感器研制提供支持。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明實(shí)施例提供了一種集成接口電路的微流量傳感器及其無光刻制造方法，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)方法中cmos-mems集成微流量傳感器制造復(fù)雜度高及靈敏度較差的問題。

2、第一方面，本技術(shù)實(shí)施例提供了一種無光刻制造方法，其中，所述制造方法用于制造集成接口電路的微流量傳感器，所述制造方法包括：

3、根據(jù)包含接口電路的初始傳感器芯片中設(shè)置的分層結(jié)構(gòu)，確定微流量傳感器的微帶線組件所處金屬層；

4、利用濕法刻蝕將微帶線組件所處金屬層周邊的金屬犧牲層完全刻蝕干凈，形成懸浮mems結(jié)構(gòu)，并于腔體底部暴露硅基；通過選擇設(shè)置微帶線周邊的金屬犧牲層結(jié)構(gòu)，以調(diào)整mems結(jié)構(gòu)厚度并調(diào)控傳感器性能；

5、采用反應(yīng)性離子刻蝕以暴露所述初始傳感器芯片中位于所述微帶線組件一側(cè)的頂層平板電極；

6、將所述微帶線組件的頂層平板電極與接口電路的頂層平板電極進(jìn)行電連接，對初始傳感器芯片進(jìn)行封裝得到對應(yīng)的單片集成微流量傳感器。

7、第二方面，本技術(shù)實(shí)施例還提供了一種集成接口電路的微流量傳感器，其中，所述微流量傳感器應(yīng)用如第一方面所述的無光刻制造方法制造得到；所述流量傳感器包括設(shè)置于基片上的微帶線組件及接口電路，所述接口電路包括控制電路、時鐘脈沖電路及讀取電路；

8、所述微帶線組件由微加熱器及兩對熱敏電阻組成，一對所述熱敏電阻設(shè)置于所述微加熱器的上游，另一對所述熱敏電阻設(shè)置于所述微加熱器的下游；兩對所述熱敏電阻與所述微加熱器的間隔距離相等；所述微加熱器及兩對所述熱敏電阻均以微懸橋的方式平行架設(shè)于基片的底腔上；

9、所述控制電路包括一級運(yùn)放電路及二級運(yùn)放電路組成，所述二級運(yùn)放電路包括脈沖發(fā)生器、補(bǔ)償電路及惠斯通電橋；第一定值電阻、第二定值電阻、所述微加熱器分別串聯(lián)設(shè)置于所述惠斯通電橋的第一橋臂、第二橋臂及第四橋臂上；溫敏電阻及可調(diào)電阻相串聯(lián)后串聯(lián)設(shè)置于所述惠斯通電橋的第三橋臂上；

10、所述第一橋臂與所述第二橋臂的連接點(diǎn)與所述補(bǔ)償電路的第二端及第一mos管的漏極相連接，所述第一mos管的柵極與所述補(bǔ)償電路的第一端相連接且連接點(diǎn)與所述一級運(yùn)放電路的補(bǔ)償連接端相連接，所述第一mos管的源極連接第二mos管的漏極，所述第二mos管的柵極連接所述脈沖發(fā)生器的輸出端，所述第二mos管的源極連接穩(wěn)壓電源；所述第二橋臂與所述第三橋臂的連接點(diǎn)與所述一級運(yùn)放電路的第一連接端相連接，所述第二橋臂與所述第四橋臂的連接點(diǎn)與所述一級運(yùn)放電路的第二連接端相連接，所述第三橋臂與所述第四橋臂的連接點(diǎn)接地；

11、所述時鐘脈沖電路的時鐘信號輸出端與所述第二mos管的柵極相連接；

12、所述讀取電路包括輸入斬波器、第一電容、第二電容、第一跨導(dǎo)器、輸出斬波器及第二跨導(dǎo)器；

13、所述微帶線組件中第一熱敏電阻與第三熱敏電阻的連接點(diǎn)與傳感器電橋電源相連接，所述微帶線組件中第二熱敏電阻與第四熱敏電阻的連接點(diǎn)接地；所述第一熱敏電阻與第四熱敏電阻之間的連接點(diǎn)、所述第二熱敏電阻與第三熱敏電阻之間的連接點(diǎn)分別連接所述輸入斬波器的兩個輸入端，所述輸入斬波器的兩個輸出端分別連接第一電容的一端及第二電容的一端，第一電容的另一端及第二電容的另一端分別連接所述第一跨導(dǎo)器的兩個輸入端，所述第一跨導(dǎo)器的兩個輸出端分別連接所述輸出斬波器的兩個輸入端，所述輸出斬波器的兩個輸出端分別連接所述第二跨導(dǎo)器的兩個輸入端，所述第二跨導(dǎo)器的兩個輸出端分別作為正極輸出端及負(fù)極輸出端輸出電壓信號。

14、本發(fā)明實(shí)施例提供了一種單片集成接口電路的微流量傳感器及其無光刻制造方法，該制造方法包括：根據(jù)包含接口電路的初始傳感器芯片中設(shè)置的分層結(jié)構(gòu)，確定微流量傳感器的微帶線組件所處金屬層；利用濕法刻蝕將微帶線組件所處金屬層周邊的金屬犧牲層完全刻蝕干凈；采用反應(yīng)性離子刻蝕以暴露初始傳感器芯片中位于微帶線組件一側(cè)的頂層平板電極；將微帶線組件的頂層平板電極與接口電路的頂層平板電極進(jìn)行電連接，對初始傳感器芯片進(jìn)行封裝得到對應(yīng)的集成微流量傳感器。上述微流量傳感器的制造方法，基于無光刻的后cmos加工工藝，可高效地進(jìn)行mems結(jié)構(gòu)的減薄釋放，實(shí)現(xiàn)微流量傳感器的mems微懸橋與cmos接口電路集成設(shè)置，達(dá)到高靈敏度、低加工成本的應(yīng)用效果。