包括加熱元件的微型傳感器以及與其相關(guān)聯(lián)的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種包括加熱元件的微型傳感器（1），并且涉及一種與該微型傳感器相關(guān)聯(lián)的制造方法。所述傳感器（1）包括基板（2）、腔（20）以及熱絕緣結(jié)構(gòu)（4），所述熱絕緣結(jié)構(gòu)（4）通過連接至該基板（2）的區(qū)域（31、32）懸置在腔（20）的上方。本發(fā)明的特征在于，熱絕緣結(jié)構(gòu)（4）包括延伸越過腔（20）的至少兩個橋部（33、34），加熱元件通過相對于所述橋部（33、34）橫向地延伸而由所述橋部（33、34）支撐。
【專利說明】包括加熱元件的微型傳感器以及與其相關(guān)聯(lián)的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及帶有加熱元件的微型傳感器領(lǐng)域。
[0002]術(shù)語“微型傳感器”用于意指具有介于幾微米到幾百微米的范圍內(nèi)的至少一個尺寸的傳感器。
[0003]這種傳感器可以使用用于測量流體的流速、壁面剪切摩擦力、或者甚至是壓力。
【背景技術(shù)】
[0004]例如，在第34 (2003)期的微電子學(xué)雜志的第1129-1136頁中記載的由Meunieret al.所著的題為“壁面剪應(yīng)力集成傳感器的實(shí)現(xiàn)與仿真”的文獻(xiàn)中描述了一種用于測量與流體流相關(guān)聯(lián)的壁面剪應(yīng)力的微型加熱元件傳感器。
[0005]此傳感器包括基板、熱絕緣結(jié)構(gòu)、加熱元件(熱線)以及電觸頭。熱絕緣結(jié)構(gòu)可以限定這樣的腔:熱線延伸越過該腔，熱線經(jīng)由其端部保持在熱絕緣結(jié)構(gòu)上。電觸頭布置在熱絕緣結(jié)構(gòu)上并且這些電觸頭連接至熱線的端部，使得可以給熱線供以電力，以通過焦耳效應(yīng)進(jìn)行加熱。
[0006]若干參數(shù)涉及到由這種類型的傳感器執(zhí)行的測量的質(zhì)量。
[0007]首先，有必要考慮熱線的形狀。
[0008]熱線優(yōu)選具有盡可能大的長度LwiM和盡可能小的液壓直徑dh。液壓直徑dh由下列關(guān)系來定義:
[0009]dh=4S/P
[0010]其中S是熱線的截面以及P是熱線的濕周。
[0011]用于熱線的較小液壓直徑限制了該線的熱慣性并且因此改進(jìn)了傳感器的帶寬。
[0012]此外，在實(shí)踐中，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)考慮到的是，優(yōu)選確定該線的尺寸使得LwiM/dh>30，以獲得足夠靈敏的傳感器。由Meunier et al.提出的傳感器滿足該關(guān)系。
[0013]因此熱線的形狀具有對傳感器的靈敏性和傳感器的帶寬的影響。
[0014]然后，同樣有必要考慮到的是使用用于制造該線的材料的性質(zhì)。
[0015]所選擇的材料的性質(zhì)對該線的電阻溫度系數(shù)(TCR)具有影響以及因此對該傳感器的靈敏性具有影響。
[0016]此外，被選擇用于該線的材料的性質(zhì)限定了該線的熱傳導(dǎo)性，所述熱傳導(dǎo)性必須盡可能的高以改進(jìn)傳感器的帶寬。
[0017]在Meunier et al.所著的文獻(xiàn)中，選擇用于此目的的是由摻硼多晶硅制成的熱線。
[0018]最后，為了避免對熱損耗的妨礙——熱損耗同樣會對傳感器的帶寬具有影響，適當(dāng)?shù)氖鞘篃峋€與基板盡可能地?zé)峤^緣。
[0019]為此，由Meunier et al.提出的傳感器的熱線延伸越過含有空氣的腔，空氣就其本質(zhì)而言是熱的不良導(dǎo)體。
[0020]同樣為了此目的，熱絕緣結(jié)構(gòu)使用在熱線和基板的端部之間。具體地，熱絕緣結(jié)構(gòu)由氮化硅制成，這是因為該材料如同空氣那樣具有較低的熱傳導(dǎo)性。
[0021]由Meunier et al.提出的傳感器的設(shè)計相對簡單并且具有足以測量壁面剪切摩擦力的靈敏性。
[0022]然而，這種類型的傳感器難于使用用于除壁面剪切摩擦力的測量或低流速的測量之外的測量。
[0023]熱線是易碎的并且難于使用用于測量通常超過每秒20米(m/s)的速度，這是因為否則熱線會有破裂的風(fēng)險。此易碎性與該線的液壓直徑dh較小、比值LwiJdh較高以及該線懸置在腔的上方的事實(shí)相關(guān)聯(lián)。
[0024]提出了具有不同設(shè)計的許多加熱元件傳感器。
[0025]在第8 (I)卷的微機(jī)電系統(tǒng)雜志的第90至99頁記載的由Chiang Lu et al.所提出的題為“一種基于熱傳遞原理的微型機(jī)械流剪應(yīng)力傳感器”的傳感器是特別有利的。
[0026]此傳感器包括具有腔的基板、通過連接區(qū)域懸置在腔上方的熱絕緣結(jié)構(gòu)、以及布置在熱絕緣結(jié)構(gòu)上的加熱元件(熱線)，其中，連接區(qū)域連接熱絕緣結(jié)構(gòu)與基板。
[0027]在該設(shè)計中，熱絕緣結(jié)構(gòu)是懸置在形成于基板中的腔的上方的隔板。
[0028]熱線滿足關(guān)系Lwi,e/dh>30，并且其由摻磷多晶硅制成。該線的特性(形狀、TCR、熱傳導(dǎo)性…)因此接近于使用在由Meunier et al.所提出的傳感器中的熱線的特性。
[0029]此外，由Chiang Lu et al.使用的熱絕緣結(jié)構(gòu)在其同樣是由氮化娃制成的情況下會表現(xiàn)出與Meunier et al.提出的傳感器的熱絕緣結(jié)構(gòu)相同的熱傳導(dǎo)性。
[0030]該傳感器的靈敏性應(yīng)當(dāng)比得上由Meunier et al.所提出的傳感器的靈敏性。
[0031]然而，該傳感器主要在熱絕緣結(jié)構(gòu)(隔板)的形狀方面不同于由Meunier et al.所提出的傳感器，這能夠使在基板中形成的腔被覆蓋，使得腔可以含有較高的真空。
[0032]在熱線由隔板支撐的情況下，可以理解的是，該傳感器比由Meunier et al.所提出的傳感器更魯棒。該傳感器的魯棒性還通過熱線的更大的厚度(與用于Meunier etal.所提出的傳感器的0.3 ii m相比，是用于Chiang Lu et al.所提出的傳感器的0.45微米(V- m))來改進(jìn)。
[0033]因此可以設(shè)想的是，使用由Chiang Lu et al.所提出的傳感器結(jié)構(gòu)來執(zhí)行流速的測量，其中，所測量的流速高于通過由Meunier et al.所提出的傳感器所測量的流速。由Chiang Lu et al.所著的文獻(xiàn)還詳細(xì)說明了在25m/s的速度下測試這些傳感器。
[0034]相比之下，盡管使用位于熱絕緣隔板下方的處于較高真空下的腔，但該傳感器的帶寬也比得上由Meunier et al.所提出的傳感器的帶寬，所述腔限制隔板與腔之間的熱交換。
[0035]作者詳細(xì)說明了這些傳感器的截止頻率是1.9千赫(kHz)(在恒定電流下)，而由Meunier et al.所提出的傳感器的截止頻率大約是2kHz (在恒定電流下)。
[0036]這很可能是由于與隔板中的傳導(dǎo)相關(guān)聯(lián)的熱損耗以及熱線的更大的寬度所引起的。因此，使用位于隔板下方的較高真空似乎更傾向于抵償在與使用熱絕緣隔板相關(guān)聯(lián)的帶寬和用于熱線的更大的厚度的方面的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0037]本發(fā)明的目的是提出這樣一種微型傳感器:其是靈敏的并且同時是魯棒的，以及具有相比已知的傳感器得到改進(jìn)的帶寬。
[0038]為了實(shí)現(xiàn)此目的，本發(fā)明提出這樣一種微型傳感器:其具有加熱元件并且包括基板、腔、以及熱絕緣結(jié)構(gòu)，所述熱絕緣結(jié)構(gòu)通過連接熱絕緣結(jié)構(gòu)與基板的連接區(qū)域懸置在腔的上方，傳感器的特征在于，熱絕緣結(jié)構(gòu)包括至少兩個橋部，所述至少兩個橋部延伸越過熱絕緣結(jié)構(gòu)的兩個與基板的連接的連接區(qū)域之間的腔，加熱元件通過相對于橋部橫向地延伸而由橋部支撐。
[0039]該裝置可以具有單個或組合的技術(shù)特性:
[0040]?橋部的長度L介于10 ii m至80 ii m的范圍內(nèi)；
[0041]?橋部的寬度1介于5 iim至IOiim的范圍內(nèi)；
[0042]?兩個橋部之間的距離D介于20 ii m至40 ii m的范圍內(nèi)；
[0043]?熱絕緣結(jié)構(gòu)、特別是橋部的厚度e介于1OOnm至500nm的范圍內(nèi)；
[0044]?腔的高度h介于50nm至500 μ m的范圍內(nèi)；
[0045]?加熱元件的寬度a介1μ m至5 μ m的范圍內(nèi)；
[0046]?加熱元件的厚度b介于50nm至500nm的范圍內(nèi)；
[0047]?加熱元件包括多個電傳導(dǎo)材料層，一層由展現(xiàn)出殘余拉伸應(yīng)力的材料制成，而相鄰層由展現(xiàn)出殘余壓縮應(yīng)力的材料制成，這些層的厚度適于抵償不同層中的殘余應(yīng)力，以便為加熱元件獲得小于例如250兆帕(MPa)的第一極限值的總殘余應(yīng)力；
[0048]?加熱元件包括:
[0049]?第一鉬層；
[0050]?由包覆在鎢層中的鎳層制成的至少一個雙層；以及
[0051]?第二鉬層；
[0052]?熱絕緣結(jié)構(gòu)包括多個熱絕緣材料層,一層由展現(xiàn)出殘余拉伸應(yīng)力的熱絕緣材料制成，而相鄰層由展現(xiàn)出殘余壓縮應(yīng)力的熱絕緣材料制成，熱絕緣材料層的厚度適于抵償不同層中的殘余應(yīng)力，以便為結(jié)構(gòu)獲得小于例如250MPa的第二極限值的總殘余應(yīng)力；
[0053]?熱絕緣結(jié)構(gòu)包括由二氧化硅層和氮化硅層形成的至少一個雙層；
[0054]?熱絕緣結(jié)構(gòu)包括在加熱元件下方以及在兩個橋部之間延伸的條狀部，熱絕緣條狀部合并有由電傳導(dǎo)材料制成的帶狀部，帶狀部通過所述條狀部與加熱元件電絕緣；
[0055]?熱絕緣結(jié)構(gòu)包括兩個條狀部和兩個帶狀部，兩個條狀部在加熱元件下方以及在兩個橋部之間延伸，兩個帶狀部由電傳導(dǎo)材料制成并且通過形成在熱絕緣結(jié)構(gòu)的兩個條狀部之間的空氣條間隔開，使得帶狀部與加熱元件電絕緣；
[0056]?熱絕緣結(jié)構(gòu)包括在加熱元件的每側(cè)上以及在兩個橋部之間延伸的至少兩個其他熱絕緣條狀部，這些兩個其他條狀部中的每個條狀部包括由電傳導(dǎo)材料制成的帶狀部；
[0057]?熱絕緣結(jié)構(gòu)由沉積在熱絕緣材料上的壓電材料制成并且包括用于表面聲波的換能器；
[0058]?基板由壓電材料制成，并且在基板的腔的底部處沉積有表面聲波諧振器；
[0059]?在腔的底部上設(shè)置有壓電材料板，所述板在其表面上設(shè)置有表面聲波諧振器；以及
[0060]?熱絕緣結(jié)構(gòu)具有N個橋部，其中加熱元件沉積在橋部上，其中N大于或等于3。
[0061]為了實(shí)現(xiàn)此目的，本發(fā)明還提出一種制造根據(jù)任一項前述權(quán)利要求的傳感器的方法，其特征在于，該方法包括下列步驟:
[0062]a)在基板上沉積至少一個熱絕緣材料層；
[0063]b)在至少一個熱絕緣材料層上沉積由電傳導(dǎo)材料制成的至少一個元件；
[0064]c)使在步驟b)中獲得的結(jié)構(gòu)經(jīng)受等離子體蝕刻以限定帶有至少兩個橋部的熱絕緣結(jié)構(gòu)的形狀，所述至少兩個橋部在連接熱絕緣結(jié)構(gòu)與基板的兩個連接區(qū)域之間延伸；以及
[0065]d)執(zhí)行氣體化學(xué)蝕刻以限定基板的腔，其中，熱絕緣結(jié)構(gòu)延伸越過腔。
[0066]本發(fā)明還包括一個或更多個單個或組合的下列特性:
[0067]?先于步驟a)提供有在基板上局部地沉積頂層的步驟，繼之以在頂層上沉積預(yù)定厚度的犧牲層的步驟；
[0068]?步驟b)包括連續(xù)地沉積多個電傳導(dǎo)材料層，一層由展現(xiàn)出殘余拉伸應(yīng)力的材料制成，而相鄰層由展現(xiàn)出殘余壓縮應(yīng)力的材料制成，這些絕緣材料層的厚度適于抵償不同層中的殘余應(yīng)力，以便為元件獲得小于例如250MPa的第一極限值的總殘余應(yīng)力；以及
[0069]?步驟a)包括連續(xù)地沉積多個熱絕緣材料層，一層由展現(xiàn)出殘余拉伸應(yīng)力的材料制成，而相鄰層由展現(xiàn)出殘余壓縮應(yīng)力的材料制成，這些絕緣材料層的厚度適于抵償不同層中的殘余應(yīng)力，以便為熱絕緣結(jié)構(gòu)獲得小于例如250MPa的第二極限值的總殘余應(yīng)力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0070]在參照下列附圖描述的下列詳細(xì)的描述中對本發(fā)明的其他特征、目的和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的說明，其中:
[0071]?圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的傳感器的立體圖；
[0072]?圖2示出了圖1的傳感器的俯視圖；
[0073]?圖3示出了圖1的傳感器的側(cè)視圖；
[0074]?圖4 (a)至4 (d)示出了在制造如圖1至圖3所示的傳感器時獲得的不同的中間結(jié)構(gòu)；
[0075]?圖5示出了橫跨連接至如圖1至圖3所示的傳感器的加熱元件的惠斯登電橋的端子的標(biāo)準(zhǔn)化電壓是如何根據(jù)流經(jīng)傳感器的腔的流體的流率變化的；
[0076]?圖6是示出了適用于通過皮拉尼效應(yīng)測量壓力的根據(jù)本發(fā)明的傳感器的變體實(shí)施方式的立體圖；
[0077]?圖7示出了橫跨連接至如圖6所示的傳感器的加熱元件的惠斯登電橋的端子的標(biāo)準(zhǔn)化電壓是如何根據(jù)傳感器的腔中存在的壓力變化的；
[0078]?圖8是示出了如圖1至圖3所示的傳感器的變體實(shí)施方式的立體圖；
[0079]?圖9是示出了如圖8所示的傳感器的變體實(shí)施方式的立體圖；
[0080]?圖10是示出了如圖1至圖3所示的傳感器的另一變體實(shí)施方式的立體圖；
[0081]?圖11是示出了重復(fù)使用專用于圖9和圖10的變體的設(shè)計元件的變體實(shí)施方式；
[0082]?圖12 (a)和12 (b)是示出了如圖1至圖3所示的傳感器的其他變體的立體圖；
[0083]?圖13 (a)和13 (b)是同樣示出了如圖1至圖3所示的傳感器的其他變體的立體圖；
[0084]?圖14 (a)和14 (b)是示出了如圖6所示的傳感器的變體另一立體圖；[0085]?圖15是使用掃描式電子顯微鏡拍攝的、示出了具有串聯(lián)的N個單細(xì)胞的根據(jù)本發(fā)明的傳感器的立體圖，其中，每個細(xì)胞代表如圖1至圖3所示的傳感器；以及
[0086]?圖16 Ca)至16 Ce)示出了在制造根據(jù)本發(fā)明的成對的傳感器時所獲得的不同的中間結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0087]本發(fā)明的加熱元件傳感器I包括基板2、確切地形成在基板2中的腔20、以及經(jīng)由與基板2聯(lián)接的聯(lián)接區(qū)域31、32懸置在腔20上方的熱絕緣結(jié)構(gòu)3。
[0088]熱絕緣結(jié)構(gòu)3具有至少兩個橋部33、34，所述至少兩個橋部相對于熱絕緣結(jié)構(gòu)3的帶有基板2的聯(lián)接區(qū)域31、32橫向地延伸越過腔20。加熱元件4同樣通過橋部33、34支撐并且加熱元件相對于橋部橫向地延伸。
[0089]此外，加熱元件的端部連接至電觸頭(未示出)。電流因此可以流經(jīng)加熱元件4以使加熱元件能夠通過焦耳效應(yīng)進(jìn)行加熱。
[0090]加熱元件4的寬度a介于I ii m至5 ii m的范圍內(nèi)。加熱元件4的厚度b介于50nm至500nm的范圍內(nèi)。加熱元件4的長度Lwire等于在圖1中示出的構(gòu)型的尺寸的2 (D+1):其介于50 ii m至100 ii m的范圍內(nèi)。
[0091]加熱元件4的尺寸因此滿足關(guān)系Lwi,e/dh>30，其中，該因數(shù)甚至大于50。
[0092]傳感器I因此表現(xiàn)出更大的靈敏性。
[0093]此外，通過用作用于加熱元件4的支撐件，熱絕緣結(jié)構(gòu)3的橋部33、34賦予傳感器較大的魯棒性。
[0094]通過選擇這些橋部中的每個橋部的幾何參數(shù)特性一即其長度L、寬度1、厚度e以及這兩個橋部33、34之間的距離D，傳感器的魯棒性可以根據(jù)預(yù)期的應(yīng)用來調(diào)節(jié)。
[0095]因此，橋部33、34的長度L可以介于IOiim至80 iim的范圍內(nèi)。橋部33、34的寬度I可以介于5 ii m至10 ii m的范圍內(nèi)。橋部33、34的厚度e可以介于IOOnm至500nm的范圍內(nèi)。這兩個橋部33、34之間的距離D可以介于20 ii m至40 ii m的范圍內(nèi)。
[0096]應(yīng)當(dāng)觀察到的是，橋部33、34的厚度e通常對應(yīng)于熱絕緣結(jié)構(gòu)3的厚度。
[0097]此外，在如何確定熱絕緣結(jié)構(gòu)的尺寸以適應(yīng)與獲得既是魯棒的并且同時又是靈敏的以及具有更大的帶寬(較低的熱損耗、較短的響應(yīng)時間)的傳感器相關(guān)聯(lián)的矛盾約束方面，熱絕緣結(jié)構(gòu)4的形狀給予更大的選擇自由。
[0098]所選擇的比值L/l、D/1、和D/a是加熱元件4的熱絕緣效應(yīng)與傳感器I的魯棒性之間平衡的結(jié)果。這些比值越高，加熱元件4的熱絕緣就越有效，但傳感器I也越易碎。
[0099]所選擇的參數(shù)a、b和e是傳感器I的魯棒性與其熱慣性之間平衡的結(jié)果，其中，熱慣性對傳感器I的帶寬具有影響。這些參數(shù)的值越小，傳感器I的響應(yīng)時間就越短(即，帶寬越寬)，但傳感器越易碎。
[0100]在現(xiàn)有技術(shù)的描述中所提出的設(shè)計并未提供這種選擇的自由，而這種選擇的自由可以滿足由本發(fā)明所提出的技術(shù)問題。
[0101]加熱元件4可以由金屬材料或諸如多晶硅、金剛石或碳化硅(SiC)之類的摻雜半導(dǎo)體材料制成。
[0102]當(dāng)使用金屬材料時，加熱元件4可以包括下列金屬中的至少一種:銀、鈦、鉻、鋁、銅、金、鎳、鶴或鉬。
[0103]有利地，加熱元件4包括多層電傳導(dǎo)材料，一層由展現(xiàn)出殘余拉伸應(yīng)力的材料制成，而相鄰層由展現(xiàn)出殘余壓縮應(yīng)力的材料制成，這些層的厚度適于抵償不同層中的殘余應(yīng)力，以便為加熱元件4獲得小于極限值的總殘余應(yīng)力。
[0104]有利地，這些層由不同材料的連續(xù)蒸發(fā)層通過呈“帽”形的樹脂面罩制成，該面罩可以獲得局部沉積。
[0105]然而，還可以通過濺射來進(jìn)行沉積。
[0106]這可以獲得這樣的加熱元件4:所述加熱元件足夠厚以確保其是魯棒的，同時避免可能對傳感器I的測量質(zhì)量產(chǎn)生不利影響的任何彎曲。
[0107]極限值是超過該值加熱元件4就必須停止操作的值。該極限值可以是250MPa，并且其優(yōu)選是200MPa。
[0108]舉例來說，加熱元件4可以包括包覆在至少一個鎢層中的至少一個鎳層，這些層的厚度適于獲得低于極限值的總殘余應(yīng)力。
[0109]加熱元件4可以包括第一鉬層、由包覆在鎢(W)層中的鎳(Ni)層組成的至少一個雙層、以及第二鉬層。鉬用作防止其他金屬的氧化。
[0110]這些沉積物可以通過陰極濺射來制造。該技術(shù)使用諸如氬氣之類的惰性氣體的等離子體，用于濺射待沉積到目標(biāo)物上的材料(鎳或鎢)。使用的氬氣壓力介于0.9帕斯卡(Pa)至3.1Pa之間的范圍內(nèi)，這對應(yīng)于介于每分鐘25標(biāo)準(zhǔn)立方厘米(sccm)至IlOsccm的范圍內(nèi)的相應(yīng)的氬氣流率。
[0111]等離子體形成在目標(biāo)物(偏向于陰極)與基板(偏向于陽極)之間，因此從目標(biāo)物脫離的原子就會被朝向基板引導(dǎo)。為了增加沉積率，借助于由磁體產(chǎn)生的磁場，等離子體的密度得到加強(qiáng)并且等離子體得到集中。選擇用于磁體的無線電射頻(RF)功率是300瓦特(W)。
[0112]對于介于1.2Pa至3.1Pa的范圍內(nèi)的惰性氣體壓力而言， 申請人:觀察到的是，鎳中的殘余拉伸應(yīng)力以不顯著的方式變化并且表現(xiàn)出大約550MPa的絕對值。此外，在0.9Pa至
3.1Pa范圍內(nèi)的惰性氣體壓力中， 申請人:觀察到的是，鎢中的殘余壓縮應(yīng)力以不顯著的方式變化并且表現(xiàn)出大約1250MPa的絕對值。
[0113]為了通過鎢層中的殘余應(yīng)力來抵償鎳中的殘余應(yīng)力，因此可以看到的是，鎳層的厚度必須大于鎢層的厚度，二者的比值大約是2.2。
[0114]當(dāng)期望提供具有IOOnm的厚度的加熱元件時，因此可以制造IOnm的鉬層、55nm的鎳層、25nm的鎢層、以及最后是IOnm的鉬層。在此條件下，鎳層和鎢層的應(yīng)力相互抵償。
[0115]熱絕緣結(jié)構(gòu)3可以由氮化硅(Si3N4)或二氧化硅(SiO2)制成。
[0116]有利地，熱絕緣結(jié)構(gòu)包括多層熱絕緣材料，一層由熱絕緣材料制成并且展現(xiàn)出殘余拉伸應(yīng)力，并且相鄰層由熱絕緣材料制成并且展現(xiàn)出殘余壓縮應(yīng)力，這些熱絕緣材料層的厚度適于抵償不同層中的殘余應(yīng)力，以在結(jié)構(gòu)中獲得低于另一極限值的總殘余應(yīng)力。
[0117]極限值可以是250MPa。
[0118]此外，每層通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)或低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)來制造。
[0119]這可以獲得相對厚的熱絕緣結(jié)構(gòu)，以改進(jìn)其魯棒性，同時確保材料中的殘余應(yīng)力不會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)彎曲。該熱絕緣結(jié)構(gòu)3因此可以保持完全平直，這對于橋部33、34而言是重要的。
[0120]例如，熱絕緣結(jié)構(gòu)3可以具有由二氧化硅層和氮化硅層構(gòu)成的至少一個雙層，其厚度被選擇成以獲得小于第二極限值的總殘余應(yīng)力。
[0121]下面將參照圖4 (a)至圖4 (d)來描述在圖1至圖3中示出的傳感器的制造方法。
[0122]步驟a)包括在基板2上沉積熱絕緣結(jié)構(gòu)3，參見圖4(a)。
[0123]步驟b)包括將由電傳導(dǎo)材料制成的加熱元件4沉積在熱絕緣結(jié)構(gòu)層上，參見圖4(b)。
[0124]其后，在步驟c)期間，在等離子體下蝕刻在步驟b)中獲得的結(jié)構(gòu)，以限定熱絕緣結(jié)構(gòu)3的橋部33、34，參見圖4 (C)。
[0125]蝕刻可以使用執(zhí)行。這是各向異性蝕刻——具體地說是豎直蝕刻，使熱絕緣結(jié)構(gòu)3相對于基板2向下蝕刻，所述基板通常由硅制成。為了執(zhí)行此蝕刻，可以使用下列等離子體參數(shù):功率180W、壓力100毫托(mTorr)、以及對于兩種氣體(:冊3和CF4中的每種氣體而言是20sccm的流率。
[0126]最后，在步驟d)期間，確切地是在基板中，執(zhí)行氣體化學(xué)蝕刻以限定腔20，熱絕緣結(jié)構(gòu)3的橋部33、34延伸越過此腔20，參見圖4 (d)。
[0127]此蝕刻可以使用Xe F2在例如5Torr的壓力下執(zhí)行。還可以使用SF6/02例如通過下列等離子體參數(shù)執(zhí)行蝕刻:功率180W、壓力100mTorr、20sccm的SF6流率、5sccm的O2流率，以獲得各向同性蝕刻。此蝕刻在基板中執(zhí)行以將橋部33、34從熱絕緣結(jié)構(gòu)釋放。
[0128]然后在加熱元件4的端部處在熱絕緣結(jié)構(gòu)3上制造電觸頭。未示出該步驟。
[0129]在此方法中，熱絕緣結(jié)構(gòu)3在加熱元件4下方在兩個橋部33、34之間還具有條狀部35。這為在圖1至圖3中示出的傳感器I賦予額外的魯棒性。
[0130]圖5示出了在圖1至圖3中示出的傳感器I的特性。
[0131]該圖示出了在由腔20形成的微通道中的標(biāo)準(zhǔn)化流率和速度是如何根據(jù)用于以200赫茲(Hz)的頻率通過腔的空氣噴射的時間來變化的。
[0132]具體地，腔20表現(xiàn)為部段:
[0133]LXh=40 u mX 5 u m
[0134]加熱元件4由具有每攝氏度百萬分之(ppm/°C -2400的TCR的鉬制成。
[0135]熱絕緣結(jié)構(gòu)是Si02/Si3N4/Si02/Si3N4/Si02多層結(jié)構(gòu)，其中，這些層具有100nm/20nm/100nm/20nm/100nm量級的相應(yīng)的厚度。橋部33、34的寬度I是10 y m并且兩個橋部之間的距離D是20 iim。
[0136]該圖還示出了用于商業(yè)傳感器的相同的變體,其由1.5毫米(mm)的Dantec熱線(代號:9055P0111)構(gòu)成。
[0137]可以看到，使用本發(fā)明的傳感器I執(zhí)行的測量與使用商業(yè)傳感器執(zhí)行的測量之間的匹配良好。
[0138]此外，對于20毫瓦(mW)的功率消耗量，本發(fā)明的傳感器I的靈敏度的測量值為對于 0.32 的電力是每分鐘每升(L/min)70 毫伏(mV) ((70mV/ (L/min)0.32)。
[0139]該靈敏度表示橫跨連接至加熱元件4的端子的惠斯登電橋的端子所測量的電壓根據(jù)腔20中的流率的值的變化。在加熱元件4輸送恒定電流的情況下，橫跨惠斯登電橋的端子的電壓根據(jù)腔中的流率的值的變化表示加熱元件4的溫度以及因而是電阻的變化。[0140]通過減小元件4的電阻的DC分量，惠斯登電橋使對加熱元件4的溫度變化的測量更加容易。
[0141]該靈敏度是極佳的。
[0142]此外，以這種方式測試的傳感器I表現(xiàn)出恒定電流下的大約5kHz的截止頻率。
[0143]該傳感器還可以用于測量遠(yuǎn)高于20m/s甚至高于100m/S的較高的速度。
[0144]特別地，在圖1至圖3中示出的傳感器I可以對速度和壁面剪切摩擦力進(jìn)行測量。此傳感器還可以用于測量介于0.1Pa至IO4Pa的壓力范圍中的壓力。
[0145]該傳感器還可以適于測量通常高達(dá)IO6Pa的較高的壓力。
[0146]通過制造具有較低高度(具體是介于50nm至500nm的范圍內(nèi))的腔20，對于與大氣壓(0.1bar至IObar)的量值具有相同數(shù)量級的壓力，可以將傳感器用作使用皮拉尼效應(yīng)的傳感器I’。
[0147]在圖6中示出此變體實(shí)施方式。在圖6中，腔20的高度低于在圖1中示出的腔20的高度。
[0148]圖7示出了橫跨惠斯登電橋的端子的標(biāo)準(zhǔn)化電壓根據(jù)腔中的壓力的變化，其中，腔表現(xiàn)為部段:
[0149]L X h=40 UmX 300nm
[0150]傳感器I’的其他特性與使用用于圖5的測試的傳感器I的特性相同。
[0151]傳感器的特性在加壓腔中測量，傳感器中不存在流動。因此這種測量是傳導(dǎo)性的。
[0152]圖7示出:皮拉尼效應(yīng)的傳感器可以在IOPa至IO6Pa的范圍內(nèi)有效地使用。此外，傳感器的靈敏度是在大約Ibar的壓力下每十進(jìn)大約為lmV，同時消耗IOmW的功率。
[0153]當(dāng)該傳感器用作壓力傳感器時，還可以獲得魯棒的壓力傳感器，S卩，該壓力傳感器能夠耐受高壓、是靈敏的并且提供較大的帶寬。
[0154]因此示出的是，本發(fā)明的傳感器1、1’可以使用用于執(zhí)行許多測量，即，在高速(可以設(shè)想，>100m/s)下或低速下的速度測量，壁面剪切摩擦測量、以及(同樣地)滿足魯棒性和靈敏性的要求與相比已知傳感器擴(kuò)大帶寬的要求的壓力測量。
[0155]本發(fā)明的傳感器可以具有若干變體實(shí)施方式。
[0156]在圖8中示出的變體中，電傳導(dǎo)的帶狀部5插入到熱絕緣結(jié)構(gòu)3的處于加熱元件4下方并且處于兩個橋部33、34之間的條狀部35中。帶狀部5因此與加熱元件4電絕緣。
[0157]此條件下，帶狀部5可以用作直接通過加熱元件4測量溫度差的參考測量電阻。然后，可以在不使用傳感器外側(cè)的惠斯登電橋的情況下直接測量載有恒定電流的加熱元件4的溫度變化。
[0158]相比圖1至圖3的傳感器1，進(jìn)行的測量因此得到簡化。
[0159]為了制造此變體實(shí)施方式，需要在上述步驟a)與步驟b)之間提供附加的步驟。在步驟a)中將熱絕緣材料層沉積在基板上之后局部地沉積帶狀部5，然后沉積新的熱絕緣材料層。然后可以執(zhí)行步驟b)。
[0160]帶狀部5可以由銀、鋁、鎳、鎢或鉬制成。
[0161]在圖9中示出的變體中，電傳導(dǎo)帶狀部5同樣插入到熱絕緣結(jié)構(gòu)3的位于加熱元件4下方以及介于兩個橋部33、34之間的條狀部35中。帶狀部5與加熱元件4電絕緣并且其可以用作(參考)測量電阻。帶狀部5可以由銀、鋁、鎳、鎢或鉬制成。[0162]這種設(shè)計與在圖8中示出的變體的設(shè)計相類似。
[0163]然而，在圖9中示出的熱絕緣結(jié)構(gòu)3還包括將兩個橋部33、34連接在一起的兩個附加條狀部36、37，該條狀部布置成在其每側(cè)上都平行于加熱元件4。此外，這些條狀部36、37中的每個條狀部由與帶狀部5類似的電傳導(dǎo)材料的帶狀部51、52覆蓋。
[0164]這些帶狀部51、52用作附加測量電阻。因此還可以測量流速的量值和方向。在不存在任何流動的情況下，測量電阻51、52都處于相同的溫度。相反，在存在流動的情況下，這兩個測量電阻處于不同的溫度下，并且此溫度差可以判斷流動的量值和方向。還可以測量腔中的流體的熱擴(kuò)散常數(shù)。
[0165]為了制造由帶狀部51、52覆蓋的條狀部36、37，或者改變步驟b)或者另外在步驟a)和b)之間或步驟b)和c)之間添加一個步驟即可，以便在步驟a)中沉積的熱絕緣結(jié)構(gòu)3上沉積電傳導(dǎo)材料的帶狀部51、52。在等離子體蝕刻步驟c)期間，僅對未被電傳導(dǎo)材料覆蓋的熱絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行蝕刻。
[0166]在圖10中示出了本發(fā)明的傳感器的另一變體。
[0167]在此變體中，由空氣薄條間隔開的兩個電傳導(dǎo)帶狀部53、54設(shè)置在加熱元件4的下方。第一帶狀部53與加熱元件4通過形成熱絕緣結(jié)構(gòu)3的一部分的條狀部38間隔開，并且第二帶狀部54通過 同樣形成熱絕緣結(jié)構(gòu)的一部分的另一條狀部39支撐。兩個帶狀部53,54之間的空氣條為幾納米厚。帶狀部53、54因此與加熱元件電絕緣。
[0168]與參照圖8描述的裝置相比，該變體實(shí)施方式允許稀薄流中的流體的某些特性(傳導(dǎo)性、擴(kuò)散性…)。
[0169]為了制造該變體實(shí)施方式，適當(dāng)?shù)氖菆?zhí)行上述步驟a)與步驟b)之間的附加的步驟。
[0170]根據(jù)步驟a)，熱絕緣材料層沉積在基板上。
[0171]附加步驟如下所述。
[0172]底部帶狀部54局部地沉積在熱絕緣材料層上。有利但并非必要地，然后沉積電絕緣材料的細(xì)層以在傳感器中限制任何短路的風(fēng)險。其后，局部地沉積犧牲層，該層隨后被除去以在兩個帶狀部53、54之間形成空氣細(xì)條。其后，將頂部帶狀部53沉積在犧牲層上。然后沉積電絕緣材料的新層，該層用于支撐加熱元件4。
[0173]—旦執(zhí)行完成這些步驟，執(zhí)行上述步驟b)至d)。
[0174]在圖11中示出了本發(fā)明的傳感器的另一變體。
[0175]在此變體中，以與參照圖10描述的變體實(shí)施方式相似的方式來設(shè)置由空氣條間隔開的電傳導(dǎo)帶狀部53、54。此外，以與參照圖9描述的變體相似的方式來設(shè)置多個條狀部36’、36〃、37’、37〃，所述多個條狀部36’、36〃、37’、37〃形成熱絕緣結(jié)構(gòu)3的一部分并且每個通過電傳導(dǎo)帶狀部51’、51〃、52’、52〃覆蓋。
[0176]此變體相當(dāng)于在圖9和圖10中示出的結(jié)構(gòu)的組合。其因此表現(xiàn)出由參照圖9和圖10描述的兩個變體所賦予的優(yōu)點(diǎn)。
[0177]相比參照圖1至圖3描述的傳感器1，如參照圖8至圖11描述的本發(fā)明的傳感器的不同變體實(shí)施方式利用一個或更多個測量電阻以簡化所采取的測量。
[0178]測量電阻的使用需要相應(yīng)數(shù)量的帶有加熱元件的連接電路以獲得所需的數(shù)據(jù)。
[0179]可以通過使用表面聲波所涉及的測量技術(shù)來進(jìn)一步改進(jìn)測量。[0180]下面將參照圖12 (a)、12 (b)、13 (a)和13 (b)來描述使用此技術(shù)的根據(jù)本發(fā)明的傳感器10。
[0181]在圖12 Ca)中示出了利用此技術(shù)的傳感器10的第一變體。
[0182]在此變體中，熱絕緣結(jié)構(gòu)與壓電材料相關(guān)聯(lián)以形成通過附圖標(biāo)記3’表示的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)3’包括熱絕緣材料、壓電材料以及表面聲波延遲線61、62、63、64 (發(fā)射器61、接收器63、發(fā)射器62、接收器64)，這些延遲線布置在橋部33、34與帶有基板2的連接區(qū)域31、32之間的每個交點(diǎn)處。
[0183]通過根據(jù)所使用的壓電材料的機(jī)械特性的變化來改變裝置的諧振頻率而給出了傳感器的特性，機(jī)械特性的此變化源自傳感器所經(jīng)受的溫度的變化。
[0184]表面聲波因此可以通過具有沿連接區(qū)域32布置的交叉形電極的換能器61、62中的每個換能器來傳送至沿連接區(qū)域31布置的換能器63、64中的每個換能器。
[0185]這些交叉形電極換能器62、64和61、63然后能夠使在實(shí)際安裝有所述換能器的橋部33、34中傳播的聲波能夠產(chǎn)生以及使該聲波能夠被檢測。
[0186]這因此簡化了所采取的測量。
[0187]具體地，該測量是每個橋部33、34的平均溫度的測量值。獲知基板2的參考溫度，然后可以在每個橋部33、34中對溫度差進(jìn)行測量，因此可以得到所需數(shù)據(jù)——例如流速。
[0188]橋部33、34的存在使測量的質(zhì)量相應(yīng)地得到改進(jìn)，由此通過平均化效應(yīng)減少了測量噪音，其中，橋部33、34可以執(zhí)行彼此獨(dú)立的橋部的測量。傳感器的形狀因此特別適用于執(zhí)行這樣的測量技術(shù):該測量技術(shù)使用用于簡化測量以及還用于改進(jìn)精確性的表面聲波。
[0189]為了制造此傳感器，執(zhí)行上述步驟a)。
[0190]其后，壓電材料沉積在熱絕緣層上并且交叉形電極換能器由壓電材料制成。
[0191]執(zhí)行步驟b)。
[0192]然后，步驟c)包括蝕刻熱絕緣材料和與其相關(guān)聯(lián)的壓電材料，以限定橋部的形狀。
[0193]其他步驟保持不變。
[0194]應(yīng)當(dāng)觀察到的是，壓電材料在其熱傳導(dǎo)性較低時可以直接用作熱絕緣層。例如，這應(yīng)用于諸如多晶結(jié)構(gòu)氧化鋅和氮化鋁之類的材料，所述多晶結(jié)構(gòu)氧化鋅和氮化鋁具有介于每開爾文米10瓦特(w.r1.nr1)至2ow.r1.nr1的范圍內(nèi)的熱傳導(dǎo)性。在此條件下,壓電材料因此形成熱絕緣結(jié)構(gòu)。
[0195]此諧振器的尺寸形成本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常所知曉的知識的一部分，因此未對其進(jìn)行描述。
[0196]可以對參照圖12 Ca)描述的傳感器進(jìn)行改進(jìn)。
[0197]這通過圖12 (b)的變體而提出。
[0198]此變體使用在圖12 (a)中示出的傳感器的特性。
[0199]然而，每個橋部33、34設(shè)置有包含局部缺陷的相應(yīng)的反射器65、66。這可以檢測位于缺陷處的橋部的溫度。因此，相比參照圖12 (a)描述的傳感器，溫度以局部化方式在缺陷處測量。該測量是基于對反射系數(shù)的分析而并非是基于換能器之間的傳送。
[0200]舉例來說，如果此處是缺陷所處的位置，則在缺陷處的局部溫度的測量可以測量加熱元件下方的溫度。在此點(diǎn)處的溫度處于最大值的情況下，相比在圖12 (a)中示出的那種傳感器，該傳感器的靈敏性因此被最大化，其中這是測量的平均溫度。此外，傳感器的響應(yīng)時間同樣得到改進(jìn)，由此增加了其帶寬。制造此傳感器的方法與制造在圖12 (a)中示出的傳感器的方法相類似。
[0201]圖13 (a)和圖13 (b)示出了根據(jù)本發(fā)明的傳感器的其他實(shí)施方式并且通過表面聲波來利用測量。
[0202]再次，結(jié)構(gòu)3’包括熱絕緣材料和壓電材料。然而，該結(jié)構(gòu)3’包括在加熱元件4的每側(cè)上布置在兩個橋部33、34之間的條狀部36’、37’。
[0203]發(fā)射器換能器和接收器換能器67、68以交叉形指部的形式處于結(jié)構(gòu)3’的橋部33、34中的每個橋部上。
[0204]例如，這種布置使由換能器67產(chǎn)生的表面聲波能夠在條狀部36’、37’中傳播，其中，所述波的特性能夠通過環(huán)境條件來改變。
[0205]應(yīng)當(dāng)觀察到的是，此傳感器的形狀接近于參照圖9所描述的本發(fā)明的實(shí)施方式的形狀。
[0206]因此，可以獲得相同類型的信息(速度的量值和方向、流體的擴(kuò)散常數(shù)…)，但是，測量由于表面聲波測量技術(shù)的使用而得到簡化。
[0207]為了制造該傳感器，適當(dāng)?shù)氖?，在將熱絕緣層沉積在基板上的步驟a)之后，將壓電材料沉積在熱絕緣層上以及通過沉積在壓電層上來制造換能器67、68。有利但并非必要地，然后，沉積精細(xì)的電絕緣層以限制傳感器中的任何短路的風(fēng)險。其后，可以在沉積加熱元件之后執(zhí)行步驟b)。然后，蝕刻步驟(:)包括同時制造橋部33、34和條狀部36’、37’。最后，執(zhí)行步驟d)。
[0208]在圖13 (b)中示出的變體中，傳感器同樣具有在圖13 Ca)中示出的傳感器的所有特性，并且還提供了功能化條狀部36’、37’以獲得提供附加特性的傳感器。
[0209]具體地，在每個條狀部36’、37’上布置有兩個電傳導(dǎo)線(未示出)，因此可以獲得過濾功能。
[0210]在參照圖12 (a)至圖13 (b)描述的實(shí)施方式中，熱絕緣結(jié)構(gòu)可以與諸如氮化鋁(A1N)、氧化鋅(ZnO)或氮化鈣(GaN)之類的不同的壓電材料相關(guān)聯(lián)。
[0211]表面聲波測量技術(shù)還可以與皮拉尼效應(yīng)組合使用，以測量與大氣壓(氣壓)的量值具有相同量級的壓力。
[0212]圖14 (a)和圖14 (b)示出了可以用于此目的的本發(fā)明的傳感器的兩個變體實(shí)施方式。
[0213]在圖14 Ca)中，傳感器100具有由壓電材料制成的基板2’，該基板帶有布置在其表面上的交叉形電極換能器69。換能器69布置成面向加熱元件4并且處于距離熱絕緣結(jié)構(gòu)3的較短距離處——例如位于IOOnm至500nm的范圍內(nèi)以受益于皮拉尼效應(yīng)。
[0214]在壓力效應(yīng)下，加熱元件4的溫度發(fā)生改變。該溫度的改變改進(jìn)了在基板2’的表面處傳播的表面波的特性，這種改變通過諧振器69得到放大。對以此方式改變的表面聲波的分析可以判定加熱元件4的溫度變化以及從其中推算出腔20中的壓力。
[0215]再次，相比參照圖6描述的傳感器I’，該變體可以使采取的測量得到簡化。
[0216]為了制造該傳感器，首先可以在壓電基板2’上制造交叉形電極換能器69。其后，局部地沉積犧牲層50，因此可以在步驟d)中執(zhí)行該操作以限定腔。然后，根據(jù)步驟a)沉積熱絕緣層(例如使用Si02/SiN)，以及根據(jù)步驟b)沉積加熱元件4。根據(jù)步驟c)各向異性地蝕刻熱絕緣層以形成橋部，以及最后執(zhí)行各向同性地蝕刻犧牲層的步驟d)。
[0217]在圖14 (b)中示出的傳感器100構(gòu)成對在圖14 Ca)中示出的傳感器的改型。
[0218]在此變體中，基板2不再是由壓電材料制成，而是由例如硅的材料制成。結(jié)構(gòu)由安裝在與基板間隔開的壓電板7上的熱絕緣板3構(gòu)成。板7在表面上還包括換能器69’，該換能器69’最好與諧振器69相同并且布置成面向加熱元件4。此外，板7布置成使得在該板與熱絕緣結(jié)構(gòu)之間的距離介于IOOnm至500nm的范圍內(nèi)，以受益于皮拉尼效應(yīng)。
[0219]相比在圖14 (a)中示出的傳感器，與此變體實(shí)施方式相關(guān)聯(lián)的主要優(yōu)點(diǎn)是提供更好的響應(yīng)時間，即更大的帶寬。這主要是因為減小了與使用呈薄層形式的壓電板相關(guān)聯(lián)的傳感器的熱慣性。該板7通常具有介于500nm至4 y m的范圍內(nèi)的厚度。
[0220]為了制造該傳感器，首先在基板2上沉積較薄的壓電層，然后在薄層上制造交叉形電極換能器。其后，在壓電薄層上沉積犧牲層，并且執(zhí)行上述步驟a)至c )，然后蝕刻壓電層以限定板7。最后，通過執(zhí)行上述步驟d)蝕刻犧牲層以限定出腔來結(jié)束該方法。
[0221]在本發(fā)明的另一變體實(shí)施方式中，可以制造這樣一種傳感器1:其在加熱元件4下方和在兩個橋部33、34之間不存在熱絕緣材料。
[0222]為此，適合以相反的次序來執(zhí)行上述步驟a)至b)。
[0223]蝕刻步驟c)然后可以限定出熱絕緣結(jié)構(gòu)3的橋部33、34，并且可以除去位于加熱元件上方的熱絕緣層。
[0224]然后使步驟d )和沉積電觸頭的步驟互換。
[0225]在此變體中，傳感器的魯棒性小于在圖1中示出的傳感器I的魯棒性，但是該傳感器的帶寬得到改進(jìn)。
[0226]更一般地，對于參照圖1至圖3、圖6、圖12 (a)、圖12 (b)、圖13 (a)、圖13 (b)、圖14 (a)和圖14 (b)描述的變體實(shí)施方式而言，可以設(shè)想在加熱元件4下方不具有熱絕緣材料。
[0227]在本發(fā)明的上述實(shí)施方式的所有實(shí)施方式中，傳感器1、1’ >10,100是單細(xì)胞傳感器，在該單細(xì)胞傳感器中熱絕緣結(jié)構(gòu)僅具有兩個橋部33、34。
[0228]然而，該傳感器的結(jié)構(gòu)可以使用長度不限的加熱元件4，這是因為熱絕緣結(jié)構(gòu)3可以包括N個連續(xù)的橋部以確保其魯棒性，其中N大于或等于3。
[0229]僅通過提供適當(dāng)長度的基板，就可以使用步驟a)至d)制造出傳感器，以便同時制造出多個串聯(lián)的單細(xì)胞傳感器。在該條件下，僅在加熱元件4的端部處沉積兩個電觸頭即可。
[0230]圖15示出了以立體視圖示出的這種類型的傳感器101的圖像，該圖像通過掃描式電子顯微鏡獲得。
[0231]在圖15中可以看到的是，熱絕緣結(jié)構(gòu)的橋部是彎曲的。這與材料中的內(nèi)應(yīng)力相關(guān)聯(lián)。為了解決此問題，既可以減小形成熱絕緣層的材料的厚度，也可以提供應(yīng)力抵償多層結(jié)構(gòu),如上所述。
[0232]與使用具有N ^ 3的單細(xì)胞的傳感器相關(guān)聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)是，通過限制邊緣效應(yīng)來使沿加熱元件4的溫度值更均勻。這用于提高所采取的測量的精確性。
[0233]此外，適于觀察到的是，可以對在圖1至圖3中示出的傳感器的制造方法進(jìn)行改進(jìn)以制造兩種類型的并聯(lián)的傳感器。[0234]例如，圖16 (a)至16 (d)示出了制造雙傳感器所涉及的不同步驟，該雙傳感器既可以用作測量流速和/或壁面剪應(yīng)力，也可以用作通過皮拉尼效應(yīng)測量壓力。
[0235]為此，將鋁薄層6局部地沉積在基板2上，然后將預(yù)定厚度的非晶硅層沉積在鋁薄層上。這形成了在圖16 (a)中示出的結(jié)構(gòu)。
[0236]其后，執(zhí)行上述步驟(a)至(d)，每個步驟分別形成在圖16 (b)至16 Cd)中示出的結(jié)構(gòu)。
[0237]特別地，應(yīng)當(dāng)觀察到的是，然后步驟c)包括沉積兩個加熱元件4、4’，其中，一個加熱元件用于每個傳感器。
[0238]在步驟d)中具有對包覆在非晶硅層中的鋁層進(jìn)行局部沉積的優(yōu)點(diǎn)。
[0239]這可以獲得其高度大于腔20’的高度的腔20，同時執(zhí)行相同時長的氣體化學(xué)蝕亥IJ。在除去非晶硅的犧牲層之后，鋁層用作阻擋層以確保腔20’的高度——例如具有300nm的高度值一被精確地控制，從而可以獲得皮拉尼效應(yīng)。
[0240]因此，可以增加通過傳感器執(zhí)行的測量的種類。
[0241]當(dāng)然，上述方法僅涉及單細(xì)胞傳感器。對于壓力傳感器以及對于速度和/或壁面剪切摩擦力傳感器而言，完全可以設(shè)想將單細(xì)胞重復(fù)N次。
[0242]此方法僅為示例，并且參照圖6、圖8至11、圖12 Ca)至14 (b)描述的變體實(shí)施方式同樣可以以并聯(lián)方式以及以重復(fù)N次(對于N≥3的理想值)的方式執(zhí)行。
[0243]這給予設(shè)計此種傳感器的較大自由。
【權(quán)利要求】
1.一種微型傳感器(1、1’、10、100、101)，所述微型傳感器(1、1’、10、100、101)具有加熱元件并且包括基板(2、2’)、腔(20、20’)以及熱絕緣結(jié)構(gòu)(3)，所述熱絕緣結(jié)構(gòu)(3)通過連接所述熱絕緣結(jié)構(gòu)(3)與所述基板(2、2’)的連接區(qū)域(31、32)懸置在所述腔的上方，所述傳感器的特征在于，所述熱絕緣結(jié)構(gòu)(3)包括至少兩個橋部(33、34)，所述至少兩個橋部(33、34)延伸越過所述熱絕緣結(jié)構(gòu)(3)的兩個與所述基板連接的連接區(qū)域(31、32)之間的腔(20、20’)，加熱元件(4、4’)通過相對于所述橋部橫向地延伸而由所述橋部(33、34)支撐。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述橋部(33、34)的長度L介于10至SOym的范圍內(nèi)。
3.根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的傳感器，其中，所述橋部(33、34)的寬度I介于5至IOiim的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的傳感器，其中，兩個所述橋部(33、34)之間的距離D介于20 u m至40 u m的范圍內(nèi)。
5.根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的傳感器，其中，所述熱絕緣結(jié)構(gòu)(3)、特別是所述橋部(33、34)的厚度e介于IOOnm至500nm的范圍內(nèi)。
6.根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的傳感器，其中，所述腔(20、20’)的高度h介于50nm至500 U m的范圍內(nèi)。
7.根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的傳感器，其中，所述加熱元件(4、4’)的寬度a介于liim至5iim的范圍內(nèi)。
8.根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的傳感器，其中，所述加熱元件(4、4’)的厚度b介于50nm至500nm的范圍內(nèi)。
9.根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的傳感器，其中，所述加熱元件(4、4’)包括多個電傳導(dǎo)材料層，一層由展現(xiàn)出殘余拉伸應(yīng)力的材料制成，而相鄰層由展現(xiàn)出殘余壓縮應(yīng)力的材料制成，這些層的厚度適于抵償不同層中的殘余應(yīng)力，以便為所述加熱元件獲得小于例如250MPa的第一極限值的總殘余應(yīng)力。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的傳感器，其中，所述加熱元件(4、4’)包括: 第一鉬層； 由包覆在鎢層中的鎳層制成的至少一個雙層；以及 第二鉬層。
11.根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的傳感器，其中，所述熱絕緣結(jié)構(gòu)(3)包括多個熱絕緣材料層，一層由展現(xiàn)出殘余拉伸應(yīng)力的熱絕緣材料制成，而相鄰層由展現(xiàn)出殘余壓縮應(yīng)力的熱絕緣材料制成，熱絕緣材料層的厚度適于抵償不同層中的殘余應(yīng)力，以便為所述結(jié)構(gòu)獲得小于例如250MPa的第二極限值的總殘余應(yīng)力。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的傳感器，其中，所述熱絕緣結(jié)構(gòu)(3)包括至少一個由二氧化娃層和氮化娃層形成的雙層。
13.根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的傳感器，其中，所述熱絕緣結(jié)構(gòu)(3)包括在所述加熱元件(4)下方以及在所述兩個橋部(33、34)之間延伸的條狀部(35)，所述熱絕緣條狀部(35 )合并有由電傳導(dǎo)材料制成的帶狀部(5 )，所述帶狀部(5 )通過所述條狀部(35 )與所述加熱元件(4)電絕緣。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至12中的任一項所述的傳感器，其中，所述熱絕緣結(jié)構(gòu)(3)包括兩個條狀部(38、39 )和兩個帶狀部(53、54 )，所述兩個條狀部(38、39 )在所述加熱元件(4 )下方以及在所述兩個橋部(33、34)之間延伸，所述兩個帶狀部(53、54)由電傳導(dǎo)材料制成并且通過沉積在所述熱絕緣結(jié)構(gòu)(3)的所述兩個條狀部(38、39)之間的空氣條間隔開，使得所述帶狀部與所述加熱元件(4)電絕緣。
15.根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的傳感器，其中，所述熱絕緣結(jié)構(gòu)(3)包括在所述加熱元件的每一側(cè)上以及在所述兩個橋部(33、34)之間延伸的至少兩個其他熱絕緣條狀部(36’、36’ ’、37’、37’ ’)，這些兩個其他條狀部中的每個條狀部包括由電傳導(dǎo)材料制成的帶狀部(51’、51’’、52’、52’’)。
16.根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的傳感器，其中，熱絕緣結(jié)構(gòu)(3’)由沉積在熱絕緣材料上的壓電材料制成并且包括用于表面聲波的換能器(61至64、67、68)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至15中的任一項所述的傳感器，其中，所述基板(2’)由壓電材料制成，并且在所述基板的所述腔的底部處沉積有表面聲波諧振器(69)。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至15中的任一項所述的傳感器，其中，在所述腔(20)的底部上設(shè)置有壓電材料的板(7 )，所述板(7 )在其表面上設(shè)置有表面聲波諧振器(69 ’)。
19.根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的傳感器，其中，所述熱絕緣結(jié)構(gòu)(3)具有N個橋部，其中所述加熱元件(4)沉積在所述橋部上，其中N大于或等于3。
20.一種制造根據(jù)任一項前述權(quán)利要求所述的傳感器的方法，所述方法的特征在于，所述方法包括下列步驟: a)在基板(2)上沉積至少一個熱絕緣材料層； b)在所述至少一個熱絕緣材料層上沉積由電傳導(dǎo)材料制成的至少一個元件(4、4’)； c)使在步驟b)中獲得的結(jié)構(gòu)經(jīng)受等離子體蝕刻以限定帶有至少兩個橋部(33、34)的熱絕緣結(jié)構(gòu)(3 )的形狀，所述至少兩個橋部(33、34 )在連接所述熱絕緣結(jié)構(gòu)(3 )與所述基板(2)連接的兩個連接區(qū)域(31、32)之間延伸；以及 d)執(zhí)行氣體化學(xué)蝕刻以限定所述基板的腔(20)，其中所述熱絕緣結(jié)構(gòu)(3)延伸越過所述腔(20)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中，先于步驟a)提供有在所述基板上局部地沉積頂層的步驟，繼之以在所述頂層上沉積預(yù)定厚度的犧牲層的步驟。
22.根據(jù)權(quán)利要求20或21所述的方法，其中，步驟b)包括連續(xù)地沉積多個電傳導(dǎo)材料層，一層由展現(xiàn)出殘余拉伸應(yīng)力的材料制成，而相鄰層由展現(xiàn)出殘余壓縮應(yīng)力的材料制成，這些絕緣材料層的厚度適于抵償不同層中的殘余應(yīng)力，以便為所述元件獲得小于例如250MPa的第一極限值的總殘余應(yīng)力。
23.根據(jù)權(quán)利要求20至22中的任一項所述的方法，其中，步驟a)包括連續(xù)地沉積多個熱絕緣材料層，一層由展現(xiàn)出殘余拉伸應(yīng)力的材料制成，而相鄰層由展現(xiàn)出殘余壓縮應(yīng)力的材料制成，這些絕緣材料層的厚度適于抵償不同層中的殘余應(yīng)力，以便為所述熱絕緣結(jié)構(gòu)獲得小于例如250MPa的第二極限值的總殘余應(yīng)力。
【文檔編號】G01F1/684GK103717526SQ201280034778
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年7月12日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月13日
【發(fā)明者】羅曼·維亞德, 阿波德爾克里姆·泰勒比, 菲利浦·雅克·潘諾德, 阿蘭·默倫, 弗拉基米爾·普雷奧布拉日恩斯基 申請人:國家科研中心, 里爾中央理工學(xué)校