一種可用于高溫環(huán)境下壁面剪應(yīng)力測(cè)量的底層隔板微傳感器及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可用于高溫環(huán)境下壁面剪應(yīng)力測(cè)量的底層隔板微傳感器及其制造方法，屬于傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】。該微傳感器主要包括凸出隔板2、懸臂梁3、梁根部4、U型環(huán)凹槽5、力敏電阻6、基體7、導(dǎo)線8和焊盤9；該底層隔板微傳感器的制備材料為器件層厚度小于1微米的SOI硅片，微傳感器的敏感電阻制備在絕緣層上，保持相互獨(dú)立且僅通過耐高溫金屬薄膜連接，能夠有效降低由于高溫引起的敏感電阻及金屬引線失效問題，實(shí)現(xiàn)類似于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道、燃燒室等的冷流高溫環(huán)境下的壁面剪應(yīng)力測(cè)量；且傳感器量程不受制于SOI硅片器件層厚度；工藝簡(jiǎn)化、難度低；懸臂敏感梁正向和反向撓曲時(shí)傳感器輸出一致性強(qiáng)；結(jié)構(gòu)魯棒性強(qiáng)。
【專利說明】—種可用于高溫環(huán)境下壁面剪應(yīng)力測(cè)量的底層隔板微傳感器及其制造方法
[0001]一、所屬領(lǐng)域:
[0002]本發(fā)明屬于傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種可用于高溫下壁面剪應(yīng)力測(cè)量的底層隔板微傳感器及其制造方法。
二、【背景技術(shù)】:
[0003]近壁流動(dòng)參數(shù)，尤其是壁面剪應(yīng)力是研究、判斷流場(chǎng)形態(tài)以及邊界層狀態(tài)等的重要參數(shù)，也是對(duì)飛行器以及水下航行器開展外形優(yōu)化設(shè)計(jì)以及減阻降噪設(shè)計(jì)的重要參考依據(jù)。隨著國(guó)防工業(yè)的持續(xù)發(fā)展，對(duì)爆震發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)等的進(jìn)氣道、燃燒室在冷流高溫惡劣工作環(huán)境下的流場(chǎng)研究提出了越來越高的要求?，F(xiàn)今，此類環(huán)境的壁面剪應(yīng)力研究仍然依賴于數(shù)值仿真分析，相應(yīng)的壁面剪應(yīng)力傳感器還未出現(xiàn)。
[0004]采用MEMS技術(shù)加工的壁面剪應(yīng)力傳感器具有微型化、集成化優(yōu)點(diǎn)，且在剪應(yīng)力的動(dòng)態(tài)、精密測(cè)量方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，常規(guī)的流體壁面剪應(yīng)力傳感器由于工作原理及加工工藝所限，往往只適用于一般條件下的風(fēng)洞試驗(yàn)研究，無(wú)法工作于高溫環(huán)境。例如:文獻(xiàn)((Piezoresistive shear stress sensor for turbulent boundary layer measurement))中提出了一種在彈性梁側(cè)壁植入壓敏電阻的微剪應(yīng)力傳感器，雖然該傳感器在低速湍流剪應(yīng)力測(cè)量有較好的表現(xiàn)，但由于其敏感電阻采用PN結(jié)隔離原理制備，故在非常溫狀態(tài)下，傳感器的性能將大打折扣甚至因高溫自身遭到損壞。文獻(xiàn)《Wall shear stress sensorbased on the optical resonances of dielectric microspheres))中制作了一種基于微米尺度光學(xué)球形回音壁模式諧振器的剪應(yīng)力傳感器，其工作原理是:支撐梁后端的致動(dòng)膜片會(huì)擠壓微球發(fā)生變形，導(dǎo)致球形諧振器的回音壁模式頻率發(fā)生偏移，通過檢測(cè)頻率的偏移量計(jì)算所施加的剪應(yīng)力的大小。若該傳感器處于進(jìn)氣道、燃燒室冷流高溫環(huán)境，致動(dòng)膜片與微球的力傳導(dǎo)性能將受到嚴(yán)重影響，銅金屬膜片在高溫環(huán)境下的局部過熱也可能使得傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞。
三、
【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0005]發(fā)明目的:
[0006]為克服類似于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道、燃燒室等的冷流高溫環(huán)境下的壁面剪應(yīng)力測(cè)量難題，本發(fā)明提出了一種可用于高溫環(huán)境下壁面剪應(yīng)力測(cè)量的底層隔板微傳感器及其制造方法。
[0007]技術(shù)方案:
[0008]本發(fā)明提出的底層隔板微傳感器的制備材料為器件層厚度小于I微米的SOI硅片，微傳感器的敏感電阻制備在絕緣層上，保持相互獨(dú)立且僅通過耐高溫金屬薄膜連接，能夠有效降低由于高溫引起的敏感電阻及金屬引線失效問題，實(shí)現(xiàn)類似于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道、燃燒室等的冷流高溫環(huán)境下的壁面剪應(yīng)力測(cè)量。
[0009]參閱附圖1，一種可用于高溫環(huán)境下壁面剪應(yīng)力測(cè)量的底層隔板微傳感器，包括凸出隔板2、懸臂梁3、梁根部4、U型環(huán)凹槽5、力敏電阻6、基體7、導(dǎo)線8和焊盤9 ;所述凸出隔板2通過多個(gè)懸臂梁3及其梁根部4支撐于基體7上；凸出隔板2與來流方向垂直，且凸出隔板2部分凸出于待測(cè)流場(chǎng)壁面；基體7、凸出隔板2、懸臂梁3、梁根部4的材料均為SOI娃片基底層娃；且基體7的娃材料表面沉積有二氧化娃層和氮化娃層；
[0010]所述力敏電阻6通過絕緣材料置于懸臂梁3最下端的梁根部4表面；
[0011]布有力敏電阻6的梁根部4表面依次沉積有二氧化硅層和氮化硅層；
[0012]力敏電阻6兩端的電信號(hào)通過穿透二氧化硅層和氮化硅層的導(dǎo)線8引出至基體7表面的氮化娃層上。
[0013]為了減少微傳感器在使用前的破壞，該微傳感器還有一個(gè)U型環(huán)I置于基體7上方，且在凸出隔板2和懸臂梁3外圍形成保護(hù)環(huán)；U型環(huán)I與基體7之間形成U型環(huán)凹槽5 ；所述U型環(huán)I前端面與凸出隔板2前端面在同一平面。
[0014]為了增大靈敏度，懸臂梁3截面為上寬下窄的梯形。
[0015]工作時(shí)，將該傳感器垂直安裝在待測(cè)壁面，去除U型環(huán)I使凸出隔板2部分凸出于待測(cè)表面，參閱附圖2。當(dāng)流體垂直流過凸出隔板2時(shí)，凸出隔板2受其兩側(cè)壓差作用而產(chǎn)生撓曲，位于梁根部4的力敏電阻6的阻值隨之改變，導(dǎo)線8和焊盤9與外部電路連接，將電阻變化量轉(zhuǎn)化為傳感器輸出信號(hào)，最后結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)剪應(yīng)力輸入環(huán)境，即可建立壁面剪應(yīng)力與輸出信號(hào)的關(guān)系。
[0016]一種可用于高溫環(huán)境下壁面剪應(yīng)力測(cè)量的底層隔板微傳感器的制造方法，包括如下步驟:
[0017]步驟1:在SOI硅片器件層制作相互獨(dú)立的力敏電阻6，參閱附圖3(a)；
[0018]制作力敏電阻6的方式為:先在器件層表面進(jìn)行擴(kuò)散或離子注入，再通過硅刻蝕得到相互獨(dú)立的力敏電阻6。
[0019]為了簡(jiǎn)化工藝，可以優(yōu)選器件層厚度小于I微米的SOI硅片。由于器件層厚度小于I微米，可以通過僅一次恒定源擴(kuò)散工藝和硅刻蝕，即可形成相互獨(dú)立的力敏電阻6及其歐姆接觸區(qū)。
[0020]步驟2:在絕緣層上制作導(dǎo)線8和焊盤9，參閱附圖3(b)；
[0021]導(dǎo)線8、焊盤9的圖形化工藝可根據(jù)條件選擇不同方式，例如金屬剝離工藝或濕法腐蝕工藝。
[0022]步驟3:由SOI硅片器件層方向刻蝕SOI硅片基底層，形成U型環(huán)1、凸出隔板2、懸臂梁3、梁根部4以及U型環(huán)凹槽5的雛形結(jié)構(gòu)，參閱附圖3(c)；
[0023]步驟4:由SOI硅片基底層方向背腔刻蝕硅直至釋放U型環(huán)1、凸出隔板2、懸臂梁
3、梁根部4、U型環(huán)凹槽5，參閱附圖3 (d)。
[0024]U型環(huán)1、U型環(huán)凹槽5厚度與SOI硅片基底層厚度相同。
[0025]凸出隔板2、懸臂梁3、梁根部4厚度可根據(jù)步驟3中基底層硅刻蝕深度自主控制。
[0026]有益效果:
[0027]本發(fā)明的有益效果是:(I)可在高溫惡劣環(huán)境工作；力敏電阻6由SOI硅片器件層硅刻蝕形成且位于梁根部4之上，各力敏電阻6之間無(wú)硅材料相連且僅通過導(dǎo)線8和焊盤9實(shí)現(xiàn)電連接，避免了現(xiàn)有技術(shù)中采用PN結(jié)隔離的力敏電阻無(wú)法耐受高溫的缺陷，導(dǎo)線8、焊盤9由耐高溫金屬薄膜組成，進(jìn)一步提高傳感器在高溫下的工作可靠性。(2)傳感器量程不受制于SOI硅片器件層厚度；現(xiàn)有技術(shù)的底層隔板微傳感器的懸臂敏感梁由SOI硅片器件層刻蝕形成，敏感梁厚度與器件層厚度相同，但敏感梁厚度直接影響傳感器量程范圍，故在微加工版圖尺寸一定的情況下，用同一規(guī)格的SOI硅片只能制備出版圖所設(shè)計(jì)的幾種固定量程的底層隔板微傳感器，除非購(gòu)買大量不同器件層厚度規(guī)格的SOI硅片材料，否則無(wú)法滿足不同流場(chǎng)環(huán)境所需的各種不同剪應(yīng)力測(cè)量范圍需求；本發(fā)明的底層隔板微傳感器的懸臂敏感梁由基底層硅形成，因此敏感梁厚度可通過控制器件層方向刻蝕SOI硅片基底層的深度實(shí)現(xiàn)自主控制，僅采用一種規(guī)格的SOI硅片材料就能制備出不同量程的底層隔板微傳感器。(3)工藝簡(jiǎn)化、難度低；由于壁面剪應(yīng)力測(cè)量范圍需求和微傳感器懸臂敏感梁強(qiáng)度要求，現(xiàn)有技術(shù)在制備底層隔板微傳感器時(shí)，器件層厚度要求在幾個(gè)乃至幾十個(gè)微米量級(jí)，電阻條及其歐姆接觸區(qū)需兩次摻雜過程分別完成，電阻制備過程復(fù)雜且整體工藝十分繁瑣，劃片前往往需近十次光刻，制造難度很大；本發(fā)明提出利用器件層厚度小于I微米的SOI硅片，僅通過一次恒定源重?fù)诫s擴(kuò)散硼工藝，即可實(shí)現(xiàn)電阻條及其歐姆接觸區(qū)的制備。相應(yīng)的，器件整體工藝得到極大簡(jiǎn)化，僅需4次套刻即可完成微傳感器的制造，降低了工藝難度。(4)懸臂敏感梁正向和反向撓曲時(shí)傳感器輸出一致性強(qiáng)；現(xiàn)今最成熟的SOI硅片制造方法為硅片直接鍵合與背面腐蝕(BESOI)方法，該方法需對(duì)器件層硅進(jìn)行機(jī)械化學(xué)拋光減薄，這將引起器件層一定的殘余應(yīng)力。由于現(xiàn)有技術(shù)底層隔板微傳感器的懸臂敏感梁由器件層形成，這使得懸臂敏感梁在正向及反向撓曲時(shí)梁根部4的集中應(yīng)力差異較大，可能引起無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量流場(chǎng)流向和角度的問題；本發(fā)明的底層隔板微傳感器的懸臂敏感梁由基底層硅形成，由于基底層硅較厚，機(jī)械化學(xué)拋光減薄過程中所引入的殘余應(yīng)力很小，因此能有效提高懸臂敏感梁在正向和反向撓曲時(shí)傳感器輸出的一致性。(5)結(jié)構(gòu)魯棒性強(qiáng)；外圍設(shè)計(jì)有U型環(huán)I結(jié)構(gòu)，在劃片、安裝、測(cè)試時(shí)可有效保護(hù)底層隔板微傳感器的懸臂敏感梁結(jié)構(gòu)，且可被輕松折斷而不影響微傳感器的正常使用。
四、【專利附圖】

【附圖說明】:
[0028]圖1.是本發(fā)明提出的一種可用于高溫環(huán)境下壁面剪應(yīng)力測(cè)量的底層隔板微傳感器示意圖
[0029]圖2.是本發(fā)明提出的底層隔板微傳感器垂直安裝在待測(cè)壁面的工作示意圖
[0030]圖3.是本發(fā)明提出的底層隔板微傳感器的工藝步驟示意圖
[0031]圖中:1-U型環(huán)；2-凸出隔板；3_懸臂梁；4_梁根部；5-U型環(huán)凹槽；6_力敏電阻；7-基體；8-導(dǎo)線；9-焊盤；
五、【具體實(shí)施方式】:
[0032]實(shí)施例:
[0033]參照?qǐng)D1、圖2，本發(fā)明包括U型環(huán)1、凸出隔板2、懸臂梁3、梁根部4、U型環(huán)凹槽
5、力敏電阻6、基體7、導(dǎo)線8和焊盤9 ;所述凸出隔板2通過兩個(gè)懸臂梁3及其梁根部4支撐于基體7上；凸出隔板2與來流方向垂直，且凸出隔板2部分凸出于待測(cè)流場(chǎng)壁面；基體
7、凸出隔板2、懸臂梁3、梁根部4的材料均為SOI硅片基底層硅；且基體7的硅材料表面沉積有二氧化娃層和氮化娃層；
[0034]所述力敏電阻6通過絕緣材料置于懸臂梁3最下端的梁根部4表面；[0035]布有力敏電阻6的梁根部4表面依次沉積有二氧化硅層和氮化硅層；
[0036]力敏電阻6兩端的電信號(hào)通過穿透二氧化硅層和氮化硅層的導(dǎo)線8引出至基體7表面的氮化娃層上；
[0037]為了減少微傳感器在使用前的破壞,該實(shí)施例中微傳感器還有一個(gè)U型環(huán)I置于基體7上方，且在凸出隔板2和懸臂梁3外圍形成保護(hù)環(huán)；U型環(huán)I與基體7之間形成U型環(huán)凹槽5 ;所述U型環(huán)I前端面與凸出隔板2前端面在同一平面。
[0038]為了增大靈敏度，懸臂梁3截面為上寬下窄的梯形。
[0039]U型環(huán)1、U型環(huán)凹槽5、基體7厚度與選用SOI硅片基底層厚度均為400微米。
[0040]凸出隔板2、懸臂梁3、梁根部4厚度可根據(jù)基底層上表面硅刻蝕深度自主控制，本實(shí)施例中凸出隔板2、懸臂梁3和梁根部4厚度均為20微米
[0041]首先通過器件層整面恒定源重?fù)诫s擴(kuò)散硼并刻蝕器件層硅形成相互獨(dú)立的力敏電阻，然后采用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)技術(shù)在SOI硅片上表面依次沉積二氧化硅和氮化硅薄膜，作為電絕緣層，利用反應(yīng)離子刻蝕工藝和濕法腐蝕工藝，去除掉懸臂敏感梁區(qū)域的所有氮化硅和二氧化硅薄膜，并去除掉梁根部4部分區(qū)域的氮化硅和二氧化硅薄膜，形成引線孔結(jié)構(gòu)；采用磁控濺射工藝，在SOI硅片上表面分別沉積T1、Pt、Au金屬薄膜，光刻后采用濕法腐蝕工藝對(duì)金屬薄膜進(jìn)行圖形化，形成導(dǎo)線8和焊盤9結(jié)構(gòu)，然后通過合金化工藝加強(qiáng)歐姆接觸，由器件層方向?qū)讓庸柽M(jìn)行電感耦合等離子體刻蝕，形成未釋放的U型環(huán)1、凸出隔板2、懸臂梁3、梁根部4以及U型環(huán)凹槽5結(jié)構(gòu)，在SOI硅片下表面磁控濺射鋁薄膜做為深硅刻蝕工藝的掩膜，背腔深硅刻蝕直至U型環(huán)1、凸出隔板2、懸臂梁3、梁根部4以及U型環(huán)凹槽5結(jié)構(gòu)釋放，制成可用于高溫環(huán)境下壁面剪應(yīng)力測(cè)量的底層隔板微傳感器。
[0042]本實(shí)施例中微傳感器的制造方法主要步驟如下:
[0043]步驟1:在SOI硅片器件層制作相互獨(dú)立的力敏電阻6，參閱附圖3(a)；
[0044]子步驟1:RCA清洗工藝；
[0045]子步驟2:器件層整面恒定源重?fù)诫s擴(kuò)散硼；
[0046]子步驟3:涂膠、軟烘、光刻、顯影和堅(jiān)膜；
[0047]子步驟4:刻蝕硅制作力敏電阻6 ；
[0048]子步驟5:去膠,娃片清洗。
[0049]步驟2:在SOI硅片氧化埋層上制作導(dǎo)線8和焊盤9，參閱附圖3(b)；
[0050]子步驟1:沉積二氧化硅；
[0051]子步驟2:沉積氮化硅；
[0052]子步驟3:涂膠、軟烘、光刻、顯影和堅(jiān)膜；
[0053]子步驟4:刻蝕氮化硅；
[0054]子步驟5:去除二氧化硅；
[0055]子步驟6:去膠，硅片清洗；
[0056]子步驟7:依次沉積T1、Pt、Au金屬薄膜；
[0057]子步驟8:涂膠、軟烘、光刻、顯影和堅(jiān)膜；
[0058]子步驟9:濕法腐蝕金屬薄膜、圖形化；
[0059]子步驟10:去膠,娃片清洗；
[0060]子步驟11:合金化。[0061]步驟3:由SOI硅片器件層方向刻蝕SOI硅片基底層，參閱附圖3(c)；
[0062]子步驟1:涂膠、軟烘、光刻、顯影和堅(jiān)膜；
[0063]子步驟2:刻蝕硅；
[0064]子步驟3:去膠，硅片清洗。
[0065]步驟4:由SOI硅片基底層方向背腔刻蝕硅直至釋放U型環(huán)1、凸出隔板2、懸臂梁3、梁根部4、U型環(huán)凹槽5，參閱附圖3(d)；
[0066]子步驟1:基底層沉積鋁薄膜；
[0067]子步驟2:正面涂厚膠；
[0068]子步驟3:涂膠、軟烘、光刻、顯影和堅(jiān)膜；
[0069]子步驟4:刻蝕鋁薄膜以形成背腔深硅刻蝕窗口 ；
[0070]子步驟5:去膠，硅片清洗；
[0071 ]子步驟6:刻蝕基底層硅直至釋放U型環(huán)1、凸出隔板2、懸臂梁3、梁根部4、U型環(huán)凹槽5 ;
[0072]子步驟7:劃片。
【權(quán)利要求】
1.一種可用于高溫環(huán)境下壁面剪應(yīng)力測(cè)量的底層隔板微傳感器，其特征在于:包括凸出隔板2、懸臂梁3、梁根部4、U型環(huán)凹槽5、力敏電阻6、基體7、導(dǎo)線8和焊盤9 ;所述凸出隔板2通過多個(gè)懸臂梁3及其梁根部4支撐于基體7上；凸出隔板2與來流方向垂直，且凸出隔板2部分凸出于待測(cè)流場(chǎng)壁面；基體7、凸出隔板2、懸臂梁3、梁根部4的材料均為SOI娃片基底層娃；且基體7的娃材料表面沉積有二氧化娃層和氮化娃層； 所述力敏電阻6通過絕緣材料置于懸臂梁3最下端的梁根部4表面； 布有力敏電阻6的梁根部4表面依次沉積有二氧化硅層和氮化硅層； 力敏電阻6兩端的電信號(hào)通過穿透二氧化硅層和氮化硅層的導(dǎo)線8引出至基體7表面的氮化娃層上。
2.一種如權(quán)利要求1所述的可用于高溫環(huán)境下壁面剪應(yīng)力測(cè)量的底層隔板微傳感器，其特征在于:還有一個(gè)U型環(huán)I置于基體7上方，且在凸出隔板2和懸臂梁3外圍形成保護(hù)環(huán)；U型環(huán)I與基體7之間形成U型環(huán)凹槽5 ;所述U型環(huán)I前端面與凸出隔板2前端面在同一平面。
3.—種如權(quán)利要求1所述的可用于高溫環(huán)境下壁面剪應(yīng)力測(cè)量的底層隔板微傳感器，其特征在于:所述懸臂梁3截面為上寬下窄的梯形。
4.一種如權(quán)利要求1所述的微傳感器的制造方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1:在SOI硅片器件層制作相互獨(dú)立的力敏電阻6 ； 步驟2:在絕緣層上制作導(dǎo)線8和焊盤9 ； 步驟3:由SOI硅片器件層方向刻蝕SOI硅片基底層，形成U型環(huán)1、凸出隔板2、懸臂梁3、梁根部4以及U型環(huán)凹槽5的雛形結(jié)構(gòu)； 步驟4:由SOI硅片基底層方向背腔刻蝕硅直至釋放U型環(huán)1、凸出隔板2、懸臂梁3、梁根部4、U型環(huán)凹槽5。
5.一種如權(quán)利要求4所述的微傳感器的制造方法，其特征在于，所述步驟一中制作力敏電阻6的方式為:先在器件層表面進(jìn)行擴(kuò)散或離子注入，再通過硅刻蝕得到相互獨(dú)立的力敏電阻6。
6.一種如權(quán)利要求4所述的微傳感器的制造方法，其特征在于，所述步驟一中使用的SOI硅片的器件層厚度小于I微米，通過僅一次恒定源擴(kuò)散工藝和硅刻蝕形成相互獨(dú)立的力敏電阻6及其歐姆接觸區(qū)。
7.—種如權(quán)利要求4所述的微傳感器的制造方法，其特征在于，所述步驟二中導(dǎo)線8、焊盤9的圖形化工藝為金屬剝離工藝或濕法腐蝕工藝。
【文檔編號(hào)】G01L1/20GK103954383SQ201410174072
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月28日
【發(fā)明者】馬炳和, 馬騁宇, 鄧進(jìn)軍 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)