9支撐的方形薄膜結(jié)構(gòu)18，四個電阻加熱元件6、四個熱傳感測溫元件17和四個懸臂梁19均以方形芯片的中心為中心均勻設(shè)置；電阻加熱元件6、熱傳感測溫元件17和懸臂梁19一一對應(yīng)，電阻加熱元件6和熱傳感測溫元件17的位置平行于方形芯片的邊，懸臂梁19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19、電阻加熱元件6和熱傳感測溫元件17 ;四個懸臂梁19的根部均設(shè)置有壓敏電阻4 ;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6和熱傳感測溫元件17之間，方形芯片的中部設(shè)計有四個兩臂尺寸相同的直角L型鏤空16，四個L型鏤空16圍合成方形薄膜結(jié)構(gòu)18，相鄰兩個L型鏤空16端部之間的部分即為懸臂梁19。
[0038]上述基于MEMS技術(shù)的三維風(fēng)速風(fēng)向傳感器的其制備方法，具體包括如下步驟:
[0039]第一步:壓敏電阻元件的制備，如圖1所示
[0040]步驟11:在SOI圓片I的上表面生長一層二氧化硅層2 ；
[0041]步驟12:在二氧化硅層2上表面旋涂第一光刻膠層3并曝光進(jìn)行圖形化，露出制備壓敏電阻4的擴(kuò)散區(qū)；
[0042]步驟13:刻蝕掉制備壓敏電阻4的擴(kuò)散區(qū)位置的二氧化硅層2 ;
[0043]步驟14:使用擴(kuò)散方法，形成壓敏電阻4 ;
[0044]步驟15:刻蝕掉第一光刻膠層3和二氧化硅層2 ；
[0045]第二步:加熱元件和測溫元件的制備，如圖2所示
[0046]步驟21:在SOI圓片I上表面生長一層基層?xùn)叛趸瘜? ；
[0047]步驟22:在基層?xùn)叛趸瘜?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6和熱傳感測溫元件17的一端；
[0048]步驟23:在基層?xùn)叛趸瘜?上表面化學(xué)氣相淀積柵氧化物形成柵氧化層8，柵氧化層8包覆電阻加熱元件6和熱傳感測溫元件17的一端；
[0049]步驟24:利用干法刻蝕工藝在柵氧化層8上制備熱傳感測溫元件17上的第一通孔9、電阻加熱元件6上的第二通孔10和壓敏電阻4上的第三通孔11 ;
[0050]步驟25:利用濺射工藝制備傳感器的電引出焊盤12、熱傳感測溫元件17的另一端
13、電阻加熱元件6的電引出焊盤14和壓敏電阻4的電引出焊盤15 ；
[0051]第三步:中心薄膜結(jié)構(gòu)的制備
[0052]步驟31:在柵氧化層8上表面旋涂第二光刻膠層并曝光進(jìn)行圖形化，露出制備L型鏤空16的刻蝕區(qū)域；
[0053]步驟32:刻蝕掉制備L型鏤空16的刻蝕區(qū)域位置的柵氧化層8，直至裸露出SOI圓片I的二氧化硅層；
[0054]步驟33:刻蝕掉第二光刻膠層；
[0055]步驟34:在SOI圓片I下表面利用各向異性腐蝕，形成方形空腔；
[0056]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；
[0057]第四步:劃片，完成三維風(fēng)速風(fēng)向傳感器的制備，如圖3和圖4所示。
[0058]傳統(tǒng)的風(fēng)速風(fēng)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(dǎo)的方式耗散掉，僅有少量熱量與空氣進(jìn)行熱對流換熱。利用SOI圓片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6的熱隔離，降低了電阻加熱元件6功耗，提高了傳感器靈敏度。
[0059]在傳感器中心區(qū)域，形成薄膜結(jié)構(gòu)18，并在薄膜結(jié)構(gòu)18的四個懸臂梁19根部制作壓敏電阻4，在無需增大芯片面積的情況下，實現(xiàn)了三維風(fēng)速風(fēng)向的測量。
[0060]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1.一種基于MEMS技術(shù)的三維風(fēng)速風(fēng)向傳感器及其制備方法，其特征在于:在方形芯片的正面設(shè)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(19)支撐的方形薄膜結(jié)構(gòu)(18)，四個電阻加熱元件(6)、四個熱傳感測溫元件(17)和四個懸臂梁(19)均以方形芯片的中心為中心均勻設(shè)置；電阻加熱元件(6)、熱傳感測溫元件(17)和懸臂梁(19) 一一對應(yīng)，電阻加熱元件(6)和熱傳感測溫元件(17)的位置平行于方形芯片的邊，懸臂梁(19)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(19)、電阻加熱元件(6)和熱傳感測溫元件(17);四個懸臂梁(19)的根部均設(shè)置有壓敏電阻(4);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(6)和熱傳感測溫元件(17)之間，方形芯片的中部設(shè)計有四個兩臂尺寸相同的直角L型鏤空(16)，四個L型鏤空(16)圍合成方形薄膜結(jié)構(gòu)(18)，相鄰兩個L型鏤空(16)端部之間的部分即為懸臂梁(19)。
2.一種權(quán)利要求1所述的基于MEMS技術(shù)的三維風(fēng)速風(fēng)向傳感器的其制備方法，其特征在于:具體包括如下步驟: 第一步:壓敏電阻元件的制備 步驟11:在SOI圓片(I)的上表面生長一層二氧化硅層(2); 步驟12:在二氧化硅層(2)上表面旋涂第一光刻膠層(3)并曝光進(jìn)行圖形化，露出制備壓敏電阻⑷的擴(kuò)散區(qū)； 步驟13:刻蝕掉制備壓敏電阻(4)的擴(kuò)散區(qū)位置的二氧化硅層(2); 步驟14:使用擴(kuò)散方法，形成壓敏電阻(4); 步驟15:刻蝕掉第一光刻膠層(3)和二氧化硅層(2); 第二步:加熱元件和測溫元件的制備 步驟21:在SOI圓片(I)上表面生長一層基層?xùn)叛趸瘜?5); 步驟22:在基層?xùn)叛趸瘜?5)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(6)和熱傳感測溫元件(17)的一端； 步驟23:在基層?xùn)叛趸瘜?5)上表面化學(xué)氣相淀積柵氧化物形成柵氧化層(8)，柵氧化層(8)包覆電阻加熱元件(6)和熱傳感測溫元件(17)的一端； 步驟24:利用干法刻蝕工藝在柵氧化層(8)上制備熱傳感測溫元件(17)上的第一通孔(9)、電阻加熱元件(6)上的第二通孔(10)和壓敏電阻⑷上的第三通孔(11); 步驟25:利用濺射工藝制備傳感器的電引出焊盤(12)、熱傳感測溫元件(17)的另一端(13)、電阻加熱元件(6)的電引出焊盤(14)和壓敏電阻(4)的電引出焊盤(15); 第三步:中心薄膜結(jié)構(gòu)的制備 步驟31:在柵氧化層(8)上表面旋涂第二光刻膠層并曝光進(jìn)行圖形化，露出制備L型鏤空(16)的刻蝕區(qū)域； 步驟32:刻蝕掉制備L型鏤空(16)的刻蝕區(qū)域位置的柵氧化層(8)，直至裸露出SOI圓片(I)的二氧化硅層； 步驟33:刻蝕掉第二光刻膠層； 步驟34:在SOI圓片(I)下表面利用各向異性腐蝕，形成方形空腔； 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； 第四步:劃片，完成三維風(fēng)速風(fēng)向傳感器的制備。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于MEMS技術(shù)的三維風(fēng)速風(fēng)向傳感器及其制備方法，結(jié)合傳統(tǒng)CMOS工藝與MEMS后處理工藝，對于水平方向風(fēng)速分量采用芯片上中心對稱放置加熱單元以及四周分布的測溫單元進(jìn)行測量，對于豎直方向的風(fēng)速分量采用中心薄膜受風(fēng)壓形變造成的支撐梁根部壓阻阻值變化進(jìn)行測量。本發(fā)明提出的三維風(fēng)速風(fēng)向傳感器結(jié)構(gòu)具有尺寸小，靈敏度高、功耗低等優(yōu)點，可以有效檢測三維風(fēng)速風(fēng)向。
【IPC分類】G01P5-12, G01P13-02
【公開號】CN104730283
【申請?zhí)枴緾N201510107696
【發(fā)明人】黃慶安, 陳蓓, 秦明
【申請人】東南大學(xué)
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年3月12日