一種基于mems技術(shù)的三維風速風向傳感器及其制備方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于MEMS技術(shù)的三維風速風向傳感器及其制備方法，是一種結(jié)合熱原理和機械風壓測試原理的三維風速風向傳感器，結(jié)合加熱元件、測溫元件和薄膜結(jié)構(gòu)實現(xiàn)風速的三維測量，采用CMOS工藝結(jié)合MEMS后處理技術(shù)，完成傳感器芯片的制備，實現(xiàn)一種高靈敏度、低功耗的三維風速風向傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]風速風向傳感器在氣象監(jiān)測、天氣預報、汽車工業(yè)、生物醫(yī)藥、機場起降條件測試、室內(nèi)環(huán)境控制等領域有廣泛的應用。目前，一維、二維熱式風速計發(fā)展比較成熟，具有測量精度高、響應時間快、功耗低、批量化制造、尺寸小等優(yōu)點，已廣泛應用于日常生產(chǎn)生活中。
[0003]對于三維風速風向的測量，目前應用較多的是三維超聲風速計，其測量量程大，測量精度高，但設備價錢昂貴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于MEMS技術(shù)的三維風速風向傳感器及其制備方法，三維風速可以分解為水平軸向分量和垂直軸向分量，對于水平軸向風速分量采用芯片上中心對稱放置的四個加熱單元以及四周分布的測溫單元進行測量，對于垂直軸向的風速分量采用中心薄膜受風壓形變造成的懸臂梁根部壓阻阻值變化進行測量。利用SOI圓片進行芯片制造，采用CMOS工藝和MEMS后處理技術(shù)實現(xiàn)芯片制備，在形成中心敏感機械單元結(jié)構(gòu)的同時，實現(xiàn)加熱單元的熱隔離。
[0005]技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0006]一種基于MEMS技術(shù)的三維風速風向傳感器及其制備方法，在方形芯片的正面設置有四個電阻加熱元件和四個熱傳感測溫元件，在方形芯片的中部形成由四個懸臂梁支撐的方形薄膜結(jié)構(gòu)，四個電阻加熱元件、四個熱傳感測溫元件和四個懸臂梁均以方形芯片的中心為中心均勻設置；電阻加熱元件、熱傳感測溫元件和懸臂梁一一對應，電阻加熱元件和熱傳感測溫元件的位置平行于方形芯片的邊，懸臂梁的位置垂直于方形芯片的邊，由方形芯片的中心向方形芯片的邊依次為懸臂梁、電阻加熱元件和熱傳感測溫元件；四個懸臂梁的根部均設置有壓敏電阻；方形芯片的背面中部為方形空腔，方形空腔頂面的邊在電阻加熱元件和熱傳感測溫元件之間，方形芯片的中部設計有四個兩臂尺寸相同的直角L型鏤空，四個L型鏤空圍合成方形薄膜結(jié)構(gòu)，相鄰兩個L型鏤空端部之間的部分即為懸臂梁。
[0007]上述三維風速分析傳感器中，壓敏電阻位于支撐薄膜結(jié)構(gòu)的四個懸臂梁的根部位置，可以有效感知由于豎直方向風速造成的薄膜結(jié)構(gòu)的變形；當薄膜結(jié)構(gòu)擴大到電阻加熱元件區(qū)域時(即方形空腔頂面的邊接近熱傳感測溫元件)，會形成熱隔離，減小熱量在芯片中的縱向傳播，從而提高加熱效率，降低功率損耗。
[0008]上述三維風速分析傳感器結(jié)合了熱原理和機械風壓測試原理，通過改變方形芯片的厚度，可以改變中心薄膜結(jié)構(gòu)的靈敏度；通過改變懸臂梁的形狀、結(jié)構(gòu)和尺寸，也可以改變中心薄膜結(jié)構(gòu)的靈敏度。在無風情況下，通過加熱對稱分布的電阻加熱元件，可以在傳感器表面形成中心對稱分布的溫度場；在外界環(huán)境存在一定風速的條件下，該風速可以分解成水平方向分量和豎直方向分量；水平方向風速分量打破對稱分布的溫度場，在傳感器表面形成溫度梯度，這一溫度梯度由熱傳感測溫元件進行測量；豎直方向的風速分量會對中心薄膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓力，使位于懸臂梁根部的壓敏電阻的阻值產(chǎn)生變化；對熱傳感測溫元件和壓敏電阻輸出信號進行處理，就可以得到外界環(huán)境中風速和風向的信息。
[0009]上述基于MEMS技術(shù)的三維風速風向傳感器的其制備方法，具體包括如下步驟:
[0010]第一步:壓敏電阻元件的制備
[0011]步驟11:在SOI圓片的上表面生長一層二氧化硅層；
[0012]步驟12:在二氧化硅層上表面旋涂第一光刻膠層并曝光進行圖形化，露出制備壓敏電阻的擴散區(qū)；
[0013]步驟13:刻蝕掉制備壓敏電阻的擴散區(qū)位置的二氧化硅層；
[0014]步驟14:使用擴散方法，形成壓敏電阻；
[0015]步驟15:刻蝕掉第一光刻膠層和二氧化硅層；
[0016]第二步:加熱元件和測溫元件的制備
[0017]步驟21:在SOI圓片上表面生長一層基層柵氧化層；
[0018]步驟22:在基層柵氧化層上表面淀積多晶硅，并注入硼離子；等離子刻蝕多晶硅，形成電阻加熱元件和熱傳感測溫元件的一端；
[0019]步驟23:在基層柵氧化層上表面化學氣相淀積柵氧化物形成柵氧化層，柵氧化層包覆電阻加熱元件和熱傳感測溫元件的一端；
[0020]步驟24:利用干法刻蝕工藝在柵氧化層上制備熱傳感測溫元件上的第一通孔、電阻加熱元件上的第二通孔和壓敏電阻上的第三通孔；
[0021]步驟25:利用濺射工藝制備傳感器的電引出焊盤、熱傳感測溫元件的另一端、電阻加熱元件的電引出焊盤和壓敏電阻的電引出焊盤；
[0022]第三步:中心薄膜結(jié)構(gòu)的制備
[0023]步驟31:在柵氧化層上表面旋涂第二光刻膠層并曝光進行圖形化，露出制備L型鏤空的刻蝕區(qū)域；
[0024]步驟32:刻蝕掉制備L型鏤空的刻蝕區(qū)域位置的柵氧化層，直至裸露出SOI圓片的二氧化硅層；
[0025]步驟33:刻蝕掉第二光刻膠層；
[0026]步驟34:在SOI圓片下表面利用各向異性腐蝕，形成方形空腔；
[0027]步驟35:利用DRIE各向異性刻蝕，去除方形空腔區(qū)域內(nèi)的二氧化硅層；
[0028]第四步:劃片，完成三維風速風向傳感器的制備。
[0029]有益效果:本發(fā)明提供的基于MEMS技術(shù)的三維風速風向傳感器及其制備方法，相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下特點:1、結(jié)合熱原理和機械風壓測試原理的風速風向傳感器結(jié)構(gòu)，在二維熱式風速風向傳感器的基礎上，在不增加芯片面積的同時，通過中心薄膜結(jié)構(gòu)實現(xiàn)三維風速風向測量；2、在硅片上，運用CMOS工藝結(jié)合MEMS后處理技術(shù)實現(xiàn)傳感結(jié)構(gòu)制備，在形成中心薄膜敏感結(jié)構(gòu)的同時，實現(xiàn)加熱元件的熱隔離，有效減小了芯片的縱向熱損耗，在有效測量三維風速風向的同時，降低功耗，提高測量靈敏度；3、熱傳感測溫元件采用熱電偶結(jié)構(gòu)，利用熱電偶零偏移的特點，不存在溫度差的情況下，熱電偶輸出結(jié)果為零，與傳統(tǒng)的熱敏電阻作為測溫單元的結(jié)構(gòu)相比，避免了零點偏移；4、加熱元件和敏感元件的制造工藝與標準的CMOS工藝相兼容，保證了元件加工的可靠性和一致性。
[0030]傳統(tǒng)的風速風向傳感器不具備三維風速風向測量能力，本發(fā)明利用在傳感器中心區(qū)域，形成薄膜結(jié)構(gòu)，并在薄膜結(jié)構(gòu)的四個支撐端根部制作壓敏單元，在無需增大芯片面積的情況下，實現(xiàn)了三維風速風向的測量。且傳統(tǒng)的風速風向傳感器一般具有較厚的硅襯底，加熱元件產(chǎn)生的熱量絕大部分從硅襯底以熱傳導的方式耗散掉，僅有少量熱量與空氣進行熱對流換熱。利用SOI圓片頂部硅器件層厚度薄的特點，以及利用在SOI圓片襯底層背面制作空腔的工藝，實現(xiàn)了加熱元件的熱隔離，降低了傳感器加熱元件功耗，提高了傳感器靈敏度。
【附圖說明】
[0031]圖1為壓敏元件的制備流程示意圖；
[0032]圖2為加熱元件和測溫元件的制備流程圖；
[0033]圖3為最終劃片傳感器芯片的正視圖；
[0034]圖4為最終劃片傳感器芯片的剖面圖；
[0035]圖5為最終劃片傳感器芯片的三維剖面圖。
【具體實施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。
[0037]—種基于MEMS技術(shù)的三維風速風向傳感器及其制備方法，在方形芯片的正面設置有四個電阻加熱元件6和四個熱傳感測溫元件17，在方形芯片的中部形成由四個懸臂梁1